Wat is een superfluïde?

Een superfluïde is een fase van materie die eindeloos kan stromen zonder energieverlies. Deze eigenschap van bepaalde isotopen werd ontdekt door Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen en Don Misener in 1937. Het is bereikt bij zeer lage temperaturen met ten minste twee isotopen van helium, een isotoop van rubidium en een isotoop van lithium.

Alleen vloeistoffen en gassen kunnen supervloeistoffen zijn. Het vriespunt van helium is bijvoorbeeld 1 K (Kelvin) en 25 atmosfeer, de laagste van elk element, maar de stof begint superfluïde eigenschappen te vertonen bij ongeveer 2 K. De fase-overgang vindt plaats wanneer alle samenstellende atomen van een monster beginnen te bezetten dezelfde kwantumtoestand. Dit gebeurt wanneer de atomen zeer dicht bij elkaar worden geplaatst en zo sterk worden afgekoeld dat hun kwantumgolffuncties elkaar beginnen te overlappen en de atomen hun individuele identiteit verliezen en zich meer gedragen als een enkel superatoom dan als een agglomeratie van atomen.

Een beperkende factor waarop materialen superfluïditeit kunnen vertonen en welke niet, is dat het materiaal heel erg koud moet zijn (minder dan 4 K) en vloeibaar moet blijven bij deze koude temperatuur. Materialen die vast worden bij lage temperaturen kunnen deze fase niet aannemen. Wanneer afgekoeld tot zeer lage temperaturen, vormt een superfluïdeklaar stel bosonen, atomen met een even aantal nucleonen, een Bose-Einstein-condensaat, een superfluïde fase van materie. Wanneer fermionen, atomen met een oneven aantal nucleonen zoals de helium-3 isotoop, worden afgekoeld tot enkele Kelvin, is dit niet voldoende om deze overgang te veroorzaken.

Omdat alleen bosonen gemakkelijk een Bose-Einstein-condensaat kunnen worden, moeten fermionen eerst met elkaar paren om een ​​superfluïde te worden. Dit proces is vergelijkbaar met de Cooper-koppeling van elektronen die optreedt in supergeleiders. Wanneer twee atomen met een oneven aantal nucleonen met elkaar paren, bezitten ze collectief een even aantal nucleonen en beginnen ze zich te gedragen als bosonen, die samen condenseren tot een superfluïde toestand. Dit wordt een fermioncondensaat genoemd en komt alleen naar voren bij het mK (milliKelvin) temperatuurniveau in plaats van bij enkele Kelvin. Het belangrijkste verschil tussen atoomparen in een superfluïde en elektronenparen in een supergeleider is dat de atoomparen wordt gemedieerd door kwantumspinfluctuaties in plaats van door fonon (trillingsenergie) uitwisseling.

Superfluids hebben een aantal indrukwekkende en unieke eigenschappen die hen onderscheiden van andere vormen van materie. Omdat ze geen interne viscositeit hebben, blijft een binnen gevormde werveling voor altijd bestaan. Een superfluid heeft nul thermodynamische entropie en oneindige thermische geleidbaarheid, wat betekent dat er geen temperatuurverschil kan bestaan ​​tussen twee superfluids of twee delen van dezelfde. Ze kunnen ook omhoog en uit een container klimmen in een laag van één atoom dik als de container niet is verzegeld. Een conventionele molecule ingebed in een superfluid kan met volledige rotatievrijheid bewegen, zich als een gas gedragen. Andere interessante eigenschappen kunnen in de toekomst worden ontdekt.

De meeste zogenaamde superfluids zijn niet zuiver, maar zijn in feite een mengsel van een vloeibare component en een superfluid component. De potentiële toepassingen van superfluids zijn niet zo opwindend en breed als die van supergeleiders, maar verdunningskoelkasten en spectroscopie zijn twee gebieden waar ze gebruik hebben gevonden. Misschien is de meest interessante toepassing vandaag de dag puur educatief en laat zien hoe kwantumeffecten onder bepaalde extreme omstandigheden macroscopisch kunnen worden.

ANDERE TALEN

heeft dit artikel jou geholpen? bedankt voor de feedback bedankt voor de feedback

Hoe kunnen we helpen? Hoe kunnen we helpen?