Hva er en overflødig væske?
En overflødig er en fase av materie som kan strømme uendelig uten energitap. Denne egenskapen til visse isotoper ble oppdaget av Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen og Don Misener i 1937. Den er oppnådd ved svært lave temperaturer med minst to isotoper av helium, en isotop av rubidium og en isotop av litium.
Bare væsker og gasser kan være overflødige væsker. For eksempel er frysepunktet til helium 1 K (Kelvin) og 25 trykkatmosfærer, det laveste av noe element, men stoffet begynner å ha overflødige egenskaper ved omtrent 2 K. Faseovergangen skjer når alle bestanddelets atomer i en prøve begynner å okkuperer den samme kvantetilstanden. Dette skjer når atomene er plassert veldig nær hverandre og avkjølt så mye at deres kvantebølgefunksjoner begynner å overlappe hverandre og atomene mister sine individuelle identiteter, og oppfører seg mer som et enkelt superatom enn en agglomerering av atomer.
En begrensende faktor for hvilke materialer som kan ha overflødighet og som ikke kan, er at materialet må være veldig veldig kaldt (mindre enn 4 K) og forbli flytende ved denne kalde temperaturen. Materialer som blir faste ved lave temperaturer, kan ikke ta denne fasen. Når det er avkjølt til veldig lave temperaturer, dannes et overflateklart sett med bosoner, atomer med et jevnt antall nukleoner, til et Bose-Einstein-kondensat, en overflatefase av materie. Når fermioner, atomer med et ulikt antall nukleoner som helium-3-isotop, er avkjølt til noen få Kelvin, er dette ikke tilstrekkelig for å forårsake denne overgangen.
Fordi bare bosoner lett kan bli et Bose-Einstein-kondensat, må fermioner først pares med hverandre for å bli overflødige. Denne prosessen ligner på Cooper-sammenkoblingen av elektronene som oppstår i superledere. Når to atomer med ulikt antall nukleoner pares sammen, besitter de samlet et jevnt antall nukleoner og begynner å oppføre seg som bosoner og kondenseres sammen til en overflødig tilstand. Dette kalles et fermionkondensat, og dukker bare opp ved mK (milliKelvin) temperaturnivå i stedet for noen få Kelvin. Den viktigste forskjellen mellom atomkobling i en overfluid og elektronparring i en superleder er at atomparingen blir mediert av kvantespinnsvingninger snarere enn ved fonon (vibrasjonsenergi) utveksling.
Superfluider har noen imponerende og unike egenskaper som skiller dem fra andre former for materie. Fordi de ikke har noen indre viskositet, vedvarer en virvel dannet i en for alltid. En superfluid har null termodynamisk entropi og uendelig termisk ledningsevne, noe som betyr at ingen temperaturforskjell kan eksistere mellom to superfluider eller to deler av den samme. De kan også klatre opp og ut av en beholder i et ett-atom tykt lag hvis beholderen ikke er forseglet. Et konvensjonelt molekyl innebygd i en overflødig væske kan bevege seg med full rotasjonsfrihet og oppføre seg som en gass. Andre interessante egenskaper kan bli oppdaget i fremtiden.
De fleste såkalte superfluider er ikke rene, men er faktisk en blanding av en væskekomponent og en overfluid komponent. De potensielle anvendelsene av superfluider er ikke så spennende og omfattende som for superledere, men fortynningskjøleskap og spektroskopi er to områder der de har funnet bruk. Den kanskje mest interessante bruken i dag er rent lærerik, og viser hvordan kvanteeffekter kan bli makroskopiske i omfang under visse ekstreme forhold.