Kas ir superfluids?

Tikai šķidrumi un gāzes var būt superšķidrumi. Piemēram, hēlija sasalšanas temperatūra ir 1 K (Kelvins) un 25 atmosfēras spiediens, kas ir zemākais no jebkura elementa, bet viela sāk parādīt superšķidruma īpašības aptuveni pie 2 K. Fāzes pāreja notiek, kad visi parauga atomi sāk sasalst. ieņem to pašu kvantu stāvokli. Tas notiek, kad atomi ir novietoti ļoti tuvu viens otram un tik ļoti atdzisuši, ka to kvantu viļņu funkcijas sāk pārklāties un atomi zaudē savu individuālo identitāti, uzvedoties vairāk kā viens superatoms, nevis atomu aglomerācija.

Ierobežojošs faktors, attiecībā uz kuru materiāliem var būt pārmērīga plūstamība un kurš nevar, ir tas, ka materiālam ir jābūt ļoti aukstam (mazāk par 4 K) un jāpaliek šķidram šajā aukstajā temperatūrā. Materiāli, kas kļūst cieti zemā temperatūrā, nevar uzņemties šo fāzi. Atdzesējot līdz ļoti zemai temperatūrai, superšķidrumam gatavs bozonu kopums, atomi ar pāra skaitu nukleonu, veidojas Bozes-Einšteina kondensātā, vielas superfluid fāzē. Kad fermioni, atomi ar nepāra skaitu nukleonu, piemēram, hēlija-3 izotops, tiek atdzesēti līdz dažiem kelviniem, tas nav pietiekami, lai izraisītu šo pāreju.

Tā kā tikai bozoni var viegli kļūt par Bozes-Einšteina kondensātu, fermioniem vispirms ir jāsavienojas pārī vienam ar otru, lai tie kļūtu par superšķidrumu. Šis process ir līdzīgs Kūpera elektronu savienojumam pārī, kas notiek supravadītājos. Kad divi atomi ar nepāra skaitu nukleonu savienojas viens ar otru, tiem kopā ir pāra skaits nukleonu un tie sāk uzvesties kā bozoni, kondensējoties kopā superšķidrumā. To sauc par fermiona kondensātu, un tas parādās tikai mK (millikelvinu) temperatūras līmenī, nevis dažos kelvinos. Galvenā atšķirība starp atomu savienošanu pārī superšķidrumā un elektronu savienošanu pārī supravadītājā ir tā, ka atomu savienošanu pārī veicina kvantu spina svārstības, nevis fononu (vibrācijas enerģijas) apmaiņa.

Superšķidrumiem ir dažas iespaidīgas un unikālas īpašības, kas tos atšķir no citām matērijas formām. Tā kā tiem nav iekšējās viskozitātes, virpulis, kas veidojas vienā, pastāv mūžīgi. Superfluidam ir nulles termodinamiskā entropija un bezgalīga siltumvadītspēja, kas nozīmē, ka nevar pastāvēt temperatūras atšķirība starp diviem superfluidiem vai divām viena un tā paša daļām. Viņi var arī uzkāpt un izkļūt no konteinera viena atoma biezā slānī, ja konteiners nav noslēgts. Parastā molekula, kas iestrādāta superšķidrumā, var pārvietoties ar pilnu rotācijas brīvību, uzvedoties kā gāze. Nākotnē var tikt atklāti citi interesanti īpašumi.

Lielākā daļa tā saukto superfluīdu nav tīri, bet patiesībā ir šķidras sastāvdaļas un superšķidruma komponentu maisījums. Potenciālie superfluīdu pielietojumi nav tik aizraujoši un plaši kā supravadītāju pielietojumi, taču atšķaidīšanas ledusskapji un spektroskopija ir divas jomas, kurās tie ir izmantoti. Iespējams, ka šodien visinteresantākais lietojums ir tikai izglītojošs, parādot, kā kvantu efekti var kļūt makroskopiski noteiktos ekstremālos apstākļos.