超流動体とは何ですか？

超流動体は、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相です。 特定の同位体のこの特性は、1937年にピョートル・レオニドヴィッチ・カピトサ、ジョン・F・アレン、およびドン・ミーゼナーによって発見されました。

液体と気体のみが超流動体になります。 たとえば、ヘリウムの凝固点は1 K（ケルビン）および25気圧の圧力であり、どの元素でも最低ですが、物質は約2 Kで超流動特性を示し始めます。サンプルのすべての構成原子が始まると、相転移が起こります同じ量子状態を占有します。 これは、原子が非常に近くに配置されて冷却され、量子波動関数が重なり始め、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きに起こります。

材料が超流動性を示すことができ、できない材料の制限要因は、材料が非常に低温（4 K未満）であり、この低温で流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、この段階を想定できません。 非常に低い温度に冷却されると、偶数個の核子を持つ原子である超流動性のボソンの集合が、物質の超流動相であるボーズ・アインシュタイン凝縮体を形成します。 ヘリウム3同位体などの奇数個の核子を持つフェルミオンが数ケルビンまで冷却されると、この遷移を引き起こすには不十分です。

ボソンのみがボーズ・アインシュタイン凝縮体になりやすいため、フェルミ粒子は超流動体になるために最初に相互にペアリングする必要があります。 このプロセスは、超伝導体で発生するクーパー電子のペアリングに似ています。 奇数の核子を持つ2つの原子が互いに対になると、それらは集合的に偶数の核子を持ち、ボソンのように振る舞い始め、一緒になって超流動状態になります。 これはフェルミオン凝縮体と呼ばれ、数個のケルビンではなく、mK（ミリケルビン）温度レベルでのみ現れます。 超流動体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ゆらぎによって媒介されることです。

超流動体には、他の物質と区別する印象的でユニークな特性があります。 内部に粘性がないため、内部で形成された渦は永久に持続します。 超流動体の熱力学的エントロピーはゼロで、熱伝導率は無限です。つまり、2つの超流動体または同じ部分の2つの部分の間に温度差はありません。 また、コンテナが密閉されていない場合、1原子の厚さの層でコンテナを登り抜けることができます。 超流動体内に埋め込まれた従来の分子は、気体のように振る舞い、完全に回転自由に動くことができます。 他の興味深い特性が将来発見されるかもしれません。

ほとんどのいわゆる超流動体は純粋ではありませんが、実際には流体成分と超流動体成分の混合物です。 超流動体の潜在的な用途は、超伝導体の用途ほど刺激的で広範囲ではありませんが、希釈冷凍機と分光法は、用途が見つかった2つの分野です。 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なものであり、特定の極端な条件下で量子効果がどのように巨視的になるかを示しています。