スーパーフルイドとは何ですか？

スーパーフルイドは、エネルギーの損失なしに無限に流れることができる物質の段階です。 特定の同位体のこの特性は、1937年にPyotr Leonidovich Kapitsa、John F. Allen、およびDon Misenerによって発見されました。それは非常に低い温度で達成され、少なくとも2つのヘリウム、1つのルビジウム、1つのリチウム同位体で達成されました。

液体とガスのみがスーパーフルイドになります。 たとえば、ヘリウムの凍結点は1 k（ケルビン）と25の気圧であり、あらゆる要素の中で最も低いですが、物質は約2 kで超流動特性を示し始めます。相転移は、サンプルのすべての構成原子が同じ量子状態を占めると発生します。 これは、原子が非常に近くに配置され、非常に冷却され、量子波動関数が重複し始め、原子が個々のアイデンティティを失い、原子の凝集というよりも単一の超原子のように振る舞うと起こります。

材料が超流動性を示すことができる制限要因は、材料が非常に冷たく（4 k未満）、この寒い温度で液体のままでなければならないことです。 低温で固体になる材料は、この相を想定することはできません。 非常に低い温度に冷却すると、偶数の核子を持つ原子のスーパーフルイド対応セットが、物質の超流動相であるボーズアインシュタイン凝縮液に形成されます。 ヘリウム-3同位体などの核子が奇数の原子であるFermionsが少数のケルビンに冷却される場合、これはこの遷移を引き起こすのに十分ではありません。

ボソンのみが容易にボーズアインシュタイン凝縮液になることができるため、フェルミオンはスーパーフルイドになるために最初に互いにペアになりなければなりません。 このプロセスは、超伝導体で発生する電子のクーパーペアリングに似ています。 奇数の核子を持つ2つの原子が互いに組み合わされると、それらは集合的に均一なものを持っています核子のerと骨のように振る舞い始め、凝縮して超流動状態になります。 これはフェルミオン凝縮液と呼ばれ、少数のケルビンではなくMK（ミリケルビン）温度レベルでのみ出現します。 スーパーフルイドの原子ペアリングと超伝導体の電子ペアリングの重要な違いは、原子ペアリングがフォノン（振動エネルギー）交換ではなく量子スピン変動によって媒介されることです。

スーパーフルイドには、他の形態の物質と区別する印象的でユニークな特性があります。 内部粘度がないため、1つ内に形成される渦は永遠に持続します。 スーパーフルイドには、熱力学的エントロピーと無限の熱伝導率がゼロになります。つまり、2つのスーパーフルイドまたは2つの部分の間に温度差は存在しないことを意味します。 また、容器が密閉されていない場合は、厚さの厚さの層の容器から登って出て行くこともできます。 スーパーフルイドに埋め込まれた従来の分子は、完全に動くことができますガスのように振る舞う回転の自由。他の興味深い特性は、将来的に発見される場合があります。

ほとんどのいわゆるスーパーフルイドは純粋ではありませんが、実際には流体成分と超流動成分の混合物です。 スーパーフルイドの潜在的な用途は、超伝導体の潜在的なアプリケーションほどエキサイティングで広範囲ではありませんが、希釈冷蔵庫と分光法は、使用が見つかった2つの領域です。 おそらく、今日の最も興味深いアプリケーションは純粋に教育的であり、特定の極端な条件下で量子効果がどのようにスケールで巨視的になるかを示しています。