Was ist ein Superfluid?
Ein Superfluid ist eine Materiephase, die ohne Energieverlust endlos fließen kann. Diese Eigenschaft bestimmter Isotope wurde 1937 von Pjotr Leonidowitsch Kapiza, John F. Allen und Don Misener entdeckt. Sie wurde bei sehr niedrigen Temperaturen mit mindestens zwei Heliumisotopen, einem Rubidiumisotop und einem Lithiumisotop erreicht.
Nur Flüssigkeiten und Gase können Superflüssigkeiten sein. Zum Beispiel beträgt der Gefrierpunkt von Helium 1 K (Kelvin) und 25 Atmosphären Druck, der niedrigste aller Elemente. Die Substanz beginnt jedoch, bei etwa 2 K Superfluideigenschaften aufzuweisen. Der Phasenübergang tritt auf, wenn alle Atome einer Probe beginnen besetzen den gleichen Quantenzustand. Dies geschieht, wenn die Atome sehr nahe beieinander stehen und sich so stark abkühlen, dass sich ihre Quantenwellenfunktionen zu überlappen beginnen und die Atome ihre individuelle Identität verlieren und sich eher wie ein einzelnes Superatom als wie eine Agglomeration von Atomen verhalten.
Ein begrenzender Faktor, bei dem Materialien Superfluidität zeigen können und bei dem dies nicht möglich ist, ist, dass das Material sehr sehr kalt sein muss (weniger als 4 K) und bei dieser kalten Temperatur flüssig bleiben muss. Materialien, die bei niedrigen Temperaturen fest werden, können diese Phase nicht einnehmen. Beim Abkühlen auf sehr niedrige Temperaturen bildet sich aus einer superfluidbereiten Gruppe von Bosonen, Atomen mit einer geraden Anzahl von Nukleonen, ein Bose-Einstein-Kondensat, eine superfluide Phase der Materie. Wenn Fermionen, Atome mit einer ungeraden Anzahl von Nukleonen wie das Helium-3-Isotop, auf wenige Kelvin abgekühlt werden, reicht dies nicht aus, um diesen Übergang zu bewirken.
Da nur Bosonen leicht zu einem Bose-Einstein-Kondensat werden können, müssen sich Fermionen zuerst miteinander paaren, um zu einer Superflüssigkeit zu werden. Dieser Vorgang ähnelt der in Supraleitern auftretenden Cooper-Elektronenpaarung. Wenn sich zwei Atome mit einer ungeraden Anzahl von Nukleonen paaren, besitzen sie gemeinsam eine gerade Anzahl von Nukleonen und beginnen sich wie Bosonen zu verhalten, die sich zu einem superfluiden Zustand verdichten. Dies wird als Fermionkondensat bezeichnet und tritt erst bei mK (Millikelvin) und nicht bei einigen Kelvin auf. Der Hauptunterschied zwischen der Atompaarung in einem Superfluid und der Elektronenpaarung in einem Supraleiter besteht darin, dass die Atompaarung eher durch Quantenspinfluktuationen als durch den Austausch von Phononen (Schwingungsenergie) vermittelt wird.
Superflüssigkeiten haben einige beeindruckende und einzigartige Eigenschaften, die sie von anderen Formen der Materie unterscheiden. Da sie keine innere Viskosität haben, bleibt ein in ihnen gebildeter Wirbel für immer bestehen. Ein Superfluid hat keine thermodynamische Entropie und eine unendliche Wärmeleitfähigkeit, was bedeutet, dass zwischen zwei Superfluiden oder zwei Teilen desselben kein Temperaturunterschied bestehen kann. Sie können auch in einer ein Atom dicken Schicht aus einem Behälter herausklettern, wenn der Behälter nicht versiegelt ist. Ein herkömmliches Molekül, das in ein Superfluid eingebettet ist, kann sich mit voller Rotationsfreiheit wie ein Gas bewegen. Weitere interessante Eigenschaften könnten in Zukunft entdeckt werden.
Die meisten sogenannten Superfluide sind nicht rein, sondern eine Mischung aus einer fluiden Komponente und einer superfluiden Komponente. Die möglichen Anwendungen von Superfluiden sind nicht so aufregend und vielfältig wie die von Supraleitern, aber Verdünnungskühlschränke und Spektroskopie sind zwei Bereiche, in denen sie Verwendung gefunden haben. Die derzeit vielleicht interessanteste Anwendung ist die rein pädagogische und zeigt, wie Quanteneffekte unter bestimmten extremen Bedingungen makroskopisch werden können.