Was ist ein Superfluid?
Eine Superfluid ist eine Phase der Materie, die ohne Energieverlust endlos fließen kann. Diese Eigenschaft bestimmter Isotope wurde 1937 von Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen und Don Misener entdeckt. Es wurde bei sehr niedrigen Temperaturen mit mindestens zwei Isotopen Helium, einem Isotop Rubidium und einem Isotop Lithiums erreicht.
Nur Flüssigkeiten und Gase können Superfluiden sein. Zum Beispiel beträgt Heliums Gefrierpunkt 1 K (Kelvin) und 25 Druckatmosphären, die niedrigste aller Elemente, aber die Substanz beginnt, überfluide Eigenschaften bei etwa 2 K zu zeigen. Der Phasenübergang tritt auf, wenn alle konstituierenden Atome einer Probe denselben Quant -Zustand besetzen. Dies geschieht, wenn die Atome sehr nahe beieinander liegen und so stark abgekühlt sind, dass sich ihre Quantenwellenfunktionen überlappen und die Atome ihre individuellen Identitäten verlieren und sich eher wie ein einzelnes Super-Atom als eine Agglomeration von Atomen verhalten.
Ein begrenzter Faktor, auf dem Materialien eine Superfluidität aufweisen können und die nicht, dass das Material sehr sehr kalt sein muss (weniger als 4 K) und bei dieser Kalttemperatur flüssig bleiben. Materialien, die bei niedrigen Temperaturen fest werden, können diese Phase nicht annehmen. Bei sehr niedrigen Temperaturen kühlt sich ein superfluid-fähiger Satz von Bosonen, Atome mit einer gleichmäßigen Anzahl von Nukleonen, zu einem Bose-Einstein-Kondensat, einer superfluidischen Phase der Materie. Wenn Fermionen, Atome mit einer ungeraden Anzahl von Nucleonen wie dem Helium-3-Isotop, auf einige Kelvin abgekühlt werden, reicht dies nicht aus, um diesen Übergang zu verursachen.
Da nur Bosonen leicht zu einem Kondensat von Bose-Einstein werden können, müssen sich Fermionen zuerst miteinander kombinieren, um ein Superfluid zu werden. Dieser Prozess ähnelt der Kooperpaarung von Elektronen, die bei Supraleitern auftreten. Wenn sich zwei Atome mit ungerade Anzahl von Nukleonen miteinander kombinieren, besitzen sie gemeinsam eine sogar taubEr von Nucleons und beginnt sich wie Bosonen zu verhalten, die zu einem superfluiden Zustand zusammenverdünnten. Dies wird als Fermion -Kondensat bezeichnet und entsteht eher am Temperaturniveau der MK (Millikelvin) als bei einigen Kelvinen. Der wichtigste Unterschied zwischen Atompaarung in einer Superfluid- und Elektronenpaarung in einem Superkonduktor besteht darin
Superfluiden haben einige beeindruckende und einzigartige Eigenschaften, die sie von anderen Formen von Materie unterscheiden. Da sie keine interne Viskosität haben, bleibt ein Wirbel, der innerhalb eines gebildet wird, für immer bestehen. Ein Superfluid hat keine thermodynamische Entropie und unendliche thermische Leitfähigkeit, was bedeutet, dass kein Temperaturdifferential zwischen zwei oder zwei Teilen derselben Teile vorhanden sein kann. Sie können auch in einer einatomdicken Schicht aus einem Behälter nach oben und aus dem Behälter herausklettern, wenn der Behälter nicht versiegelt ist. Ein herkömmliches Molekül, das in eine Superfluid eingebettet istRotationsfreiheit, sich wie ein Gas verhalten. Andere interessante Eigenschaften können in Zukunft entdeckt werden.
Die meisten sogenannten Superfluiden sind nicht rein, sondern in der Tat eine Mischung aus einer Flüssigkeitskomponente und einer Superfluid-Komponente. Die potenziellen Anwendungen von Superfluiden sind nicht so aufregend und weitreichend wie die von Supraleitern, aber Verdünnungskühlschränke und Spektroskopie sind zwei Bereiche, in denen sie verwendet wurden. Die vielleicht interessanteste Anwendung heute ist rein lehrreich und zeigt, wie Quanteneffekte unter bestimmten extremen Bedingungen makroskopisch werden können.