Hva er en superflytende?

February 23  by Eliza

En super er en fase av materie stand til å strømme i det uendelige uten energitap. Denne egenskapen av visse isotoper ble oppdaget av Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen og Don Misener i 1937. Det har vært oppnådd ved meget lave temperaturer med minst to isotoper av helium, en isotop av rubidium, og en isotop av litium.

Bare væsker og gasser kan være superfluids. For eksempel er helium s frysepunkt 1 K (Kelvin) og 25 atmosfærers trykk, den laveste av et element, men stoffet begynner oppviser superflytende egenskaper ved omtrent 2 K. faseovergangen inntreffer når alle bestanddeler atomene i en prøve begynner å okkupere den samme kvantetilstand. Dette skjer når atomene er plassert svært tett sammen og avkjølt så mye at deres kvante bølgefunksjoner begynne å overlappe og atomene mister sine individuelle identiteter, oppfører seg mer som et enkelt super-atom enn en tettbebyggelse av atomer.

En begrensende faktor på hvilke materialer kan oppvise overflod og som ikke er at materialet må være svært meget kald (mindre enn 4 K) og forbli flytende ved denne kalde temperatur. Materialer som blir fast ved lave temperaturer kan ikke påta seg denne fasen. Når avkjøles til meget lave temperaturer, et superklart sett av bosoner, atomer med et likt antall nukleoner, danner i en Bose-Einsteins kondensat, en superflytende fase av materie. Når fermioner, atomer, med et odde antall nukleoner som helium-3-isotop, blir kjølt ned til noen få Kelvin, er dette ikke tilstrekkelig til å forårsake denne overgangen.

Fordi bare bosoner kan lett bli en Bose-Einstein kondensat, må fermioner første paret opp med hverandre for å bli en superflytende. Denne fremgangsmåten er lik den Cooper sammenkobling av elektroner som oppstår i superledere. Når to atomer med odde antall nukleoner koble opp med hverandre, de samlet innehar et likt antall nukleoner og begynne å oppføre seg som bosoner, kondense sammen til en superflytende tilstand. Dette kalles en fermion kondensat, og fremstår bare på mK (milliKelvin) temperaturnivå i stedet for på noen få kelvin. Hovedforskjellen mellom atom paring i en superflytende og elektron paring i en superleder er at atom sammenkobling formidles av quantum spin svingninger snarere enn av fonon (vibrasjonsenergi) utveksling.

Superfluids har noen imponerende og unike egenskaper som skiller dem fra andre former for materie. Fordi de ikke har noen indre viskositet, en virvel dannet i en vedvarer alltid. En superflytende har null termodynamisk entropi og uendelig varmeledningsevne, noe som betyr at ingen temperaturforskjell kan eksistere mellom to superfluids eller to deler av samme. De kan også klatre opp og ut av en beholder i en ett-atom-tykt lag hvis beholderen ikke er forseglet. En konvensjonell molekyl integrert i en superflytende kan flytte med full rotasjons frihet, oppfører seg som en gass. Andre interessante egenskaper kan bli oppdaget i fremtiden.

De såkalte superfluids ikke er rene, men er i virkeligheten en blanding av en fluidkomponent og en superflytende komponent. De potensielle anvendelser av superfluids er ikke så spennende og omfattende som de av superledere, men utvannings kjøleskap og spektroskopi er to områder hvor de har funnet bruk. Kanskje den mest interessante programmet i dag er rent pedagogisk, og viser hvordan kvanteeffekter kan bli makroskopisk i skala under visse ekstreme forhold.

  • Bare væsker og gasser kan være superfluids.