Hvad er en overflødig væske?
En overflødig væske er en fase af stof, der er i stand til at flyde uendeligt uden energitab. Denne egenskab ved visse isotoper blev opdaget af Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen og Don Misener i 1937. Den er opnået ved meget lave temperaturer med mindst to isotoper af helium, en isotop af rubidium og en isotop af litium.
Kun væsker og gasser kan være overflødige væsker. F.eks. Er heliums frysepunkt 1 K (Kelvin) og 25 atmosfære af tryk, det laveste af et hvilket som helst element, men stoffet begynder at udvise overfladefaste egenskaber ved ca. 2 K. Faseovergangen finder sted, når alle bestanddele atomer i en prøve begynder at besætter den samme kvantetilstand. Dette sker, når atomerne placeres meget tæt sammen og afkøles så meget, at deres kvantebølgefunktioner begynder at overlappe hinanden, og atomerne mister deres individuelle identitet og opfører sig mere som et enkelt superatom end en agglomerering af atomer.
En begrænsende faktor, på hvilke materialer kan udvise superfluiditet, og som ikke kan, er, at materialet skal være meget meget koldt (mindre end 4 K) og forblive flydende ved denne kolde temperatur. Materialer, der bliver faste ved lave temperaturer, kan ikke antage denne fase. Når det afkøles til meget lave temperaturer, dannes et superfluid-klart sæt bosoner, atomer med et jævnt antal nukleoner, til et Bose-Einstein-kondensat, en superfluid fase af stof. Når fermioner, atomer med et ulige antal nukleoner, såsom helium-3-isotop, afkøles til et par Kelvin, er dette ikke tilstrækkeligt til at forårsage denne overgang.
Fordi kun bosoner let kan blive et Bose-Einstein-kondensat, skal fermioner først parres med hinanden for at blive en overfladisk væske. Denne proces ligner Cooper parring af elektroner, der forekommer i superledere. Når to atomer med ulige antal nukleoner parrer sig med hinanden, besidder de samlet et jævnt antal nukleoner og begynder at opføre sig som bosoner og kondenseres sammen til en overfladisk tilstand. Dette kaldes et fermionkondensat og fremkommer kun ved temperatureniveauet mK (milliKelvin) snarere end ved et par Kelvin. Den vigtigste forskel mellem atomparring i en superfluid og elektronparring i en superleder er, at atomparringen formidles af kvantespændingssvingninger snarere end ved phonon (vibrationsenergi) udveksling.
Superfluider har nogle imponerende og unikke egenskaber, der adskiller dem fra andre former for stof. Fordi de ikke har nogen indre viskositet, fortsætter en hvirvel dannet i en for evigt. En superfluid har nul termodynamisk entropi og uendelig termisk ledningsevne, hvilket betyder, at der ikke kan findes nogen temperaturforskel mellem to superfluider eller to dele af den samme. De kan også klatre op og ud af en beholder i et etatom-tykt lag, hvis beholderen ikke er forseglet. Et konventionelt molekyle indlejret i en overflødig væske kan bevæge sig med fuld rotationsfrihed og opføre sig som en gas. Andre interessante egenskaber kan blive opdaget i fremtiden.
De fleste såkaldte superfluider er ikke rene, men er faktisk en blanding af en væskekomponent og en overfladisk komponent. De potentielle anvendelser af superfluider er ikke så spændende og vidtgående som for superledere, men fortyndingskøleskabe og spektroskopi er to områder, hvor de har fundet anvendelse. Den måske mest interessante anvendelse i dag er rent uddannelsesmæssigt, der viser, hvordan kvanteeffekter kan blive makroskopiske i skala under visse ekstreme forhold.