Superfluiditet

Superfluiditet er ein stoffleg fase som blir karakterisert ved at fluidet er viskositetsfritt, det vil seie eit superfluid som er sett i varig rørsle. Fenomenet har eit kvantemekanisk opphav, Bose-Einstein-kondensasjon, og fenomenet opptrer ved låge temperaturar. Fasen superfluiditet oppstår etter ein andreordens faseovergang.

Superfluiditet kan finnast i følgjande system

• Bosonisk helium
• Fermionisk helium
• Tynne gassar
• Nøytronstjerneoverflater

Superfluiditet vart oppdaga av Pjotr Kapitsa, John F. Allen og Don Misener i 1937. Den teoretisk grunngjevinga av fenomenet vart gjeve av Lev Landau i 1941.

Bosonisk helium

Bosonisk helium, ⁴He, er den desidert mest vanlege heliumisotopen og heretter berre omtalt som helium. Helium er flytande under 4,22 K (–268,93 °C) og det einaste stoffet som aldri blir fast ved kjøling dvs. det har smeltepunkt ved 0 K (ved atmosfærisk trykk). Ved vidare avkjøling er helium ei vanleg viskøs væske, kalla helium I, ned til den såkalla lambda-temperaturen på 2,172 K (–271 °C), der superfluiditet oppstår ved ein andreordens faseovergang. Denne fasen er kalla helium II. Det verkeleg snodige med helium II er at væska har ein splitta natur: ho har ei superflytande og ein normal komponent som flyt uavhengig av kvarandre og er avhengig av temperaturen slik at ved lambda-temperaturen er væska heilt normal og ved T=0 K er væska heilt superflytande. Den superflytande komponenten er assosiert med ein kompleks ordensparameter som òg kan tolkast som ein makroskopisk, kvantemekanisk, kompleks, bølgefunksjon. Denne oppstår som resultat av ein Bose-Einstein-kondensasjon. Ordensparameteren og den andreordens faseovergangen har superfluid til felles med superleiing, som er eit relatert fenomen.

Forklaringa på mangelen på friksjon i superfluid helium II vart gjeve av Lev Landau i 1941 og kjem av energispekteret: ved låge snøggleiker vil det rett og slett ikkje vere mogeleg for behaldaren å eksitere fonon i væska og dermed er energioverføring til omgivnadane umogeleg, og ingen viskositet.

Vidare bør det nemnast at superfluidkomponenten har null entropi.

Superflytande helium II har fleire merkverdige eigenskapar:

• Væsken er rotasjonsfri med unntak av kvantiserte virvlar.
• Ein temperaturgradient i væska påverkar ikkje superfluidet.
• Superfluidet kryp opp langs veggane i behaldaren det er i.
• Ei roterande plate vil etter ei tid stoppe opp, noko som viser eksistensen av ein normalkomponent.

Fermionisk helium

Fermionisk helium, ³He, er ein forholdsvis sjeldan heliumisotop som har kokepunkt på 3,2 K. Sidan ³He tilfredsstiller Fermi-Dirac-statistikk har han heilt andre eigenskapar ved låge temperaturar enn bosonisk helium, så ein kan ikkje heilt utan vidare få ein Bose-Einstein-kondensasjon. Superfluiditet i ³He oppstår ved at atoma parvis følgjer Bose-Einstein-statistikk, òg kalla Cooperpar. Dette er det same som skjer med elektrona i ein superleiar. Overgangen til superfluid skjer ved særs låge temperaturar, av orden millikelvin.

Tynne gassar

Nokre gassar under ekstremt lågt trykk og temperatur kan vere superflytande, til dømes litium. Desse gassane er vanskelege å eksperimentere med, men er særs viktige fordi dei er langt enklare å handsame teoretisk enn helium, som er ei væske.

Bøker

• E.M.Lifshitz, L.P.Pitaevskii, «Statistical Physics, Part 2 : Volume 9»
• R.J. Donnelly, «Quantized Vortices in Helium II»
• C. J. Pethick, H. Smith, «Bose-Einstein Condensation in Dilute Gases»

Relaterte emne

• Helium
• Kvantemekanikk
• Superleiar
• Andreordens faseovergang

Kjelder

• Denne artikkelen bygger på «Superfluiditet» frå Wikipedia på bokmål, den 3. november 2013.