Co to jest nadciekłość?
Nadciek to faza materii zdolna do płynięcia w nieskończoność bez strat energii. Tę właściwość niektórych izotopów odkryli Piotr Leonidowicz Kapitsa, John F. Allen i Don Misener w 1937 roku. Osiągnięto ją w bardzo niskich temperaturach z co najmniej dwoma izotopami helu, jednym izotopem rubidu i jednym izotopem litu.
Tylko płyny i gazy mogą być nadciekami. Na przykład temperatura krzepnięcia helu wynosi 1 K (Kelvina) i ciśnienie 25 atmosfer, najniższy z dowolnego pierwiastka, ale substancja zaczyna wykazywać właściwości nadciekania przy około 2 K. Przejście fazowe występuje, gdy wszystkie atomy składowe próbki zaczynają się zajmują ten sam stan kwantowy. Dzieje się tak, gdy atomy są umieszczone bardzo blisko siebie i schłodzone tak bardzo, że ich funkcje fal kwantowych zaczynają się nakładać, a atomy tracą swoją indywidualną tożsamość, zachowując się bardziej jak pojedynczy superatom, niż skupisko atomów.
Czynnikiem ograniczającym, na którym materiały mogą wykazywać nadciekłość, a którego nie może być to, że materiał musi być bardzo bardzo zimny (mniej niż 4 K) i pozostawać płynny w tej niskiej temperaturze. Materiały, które zestalają się w niskich temperaturach, nie mogą przyjąć tej fazy. Po schłodzeniu do bardzo niskich temperatur, gotowy do nadciekania zestaw bozonów, atomów o parzystej liczbie nukleonów, formuje się w kondensat Bosego-Einsteina, nadpłynną fazę materii. Kiedy fermiony, atomy o nieparzystej liczbie nukleonów, takie jak izotop helu-3, są schładzane do kilku stopni Kelvina, nie jest to wystarczające do spowodowania tego przejścia.
Ponieważ tylko bozony mogą z łatwością stać się kondensatem Bosego-Einsteina, fermiony muszą najpierw sparować się ze sobą, aby stać się nadciekłym. Proces ten jest podobny do parowania elektronów Coopera, który występuje w nadprzewodnikach. Kiedy dwa atomy o nieparzystej liczbie nukleonów łączą się w pary, razem posiadają parzystą liczbę nukleonów i zaczynają zachowywać się jak bozony, kondensując się razem w stan nadciekłości. Nazywa się to kondensatem fermionu i pojawia się tylko przy poziomie temperatury mK (millikelwinów), a nie przy kilku stopniach Kelvina. Kluczową różnicą między parowaniem atomów w superpłynie a parowaniem elektronów w nadprzewodniku jest to, że w parowaniu atomowym pośredniczą raczej kwantowe fluktuacje spinowe niż wymiana fononowa (energia wibracyjna).
Nadcieki mają imponujące i unikalne właściwości, które odróżniają je od innych form materii. Ponieważ nie mają lepkości wewnętrznej, powstały w nich wir utrzymuje się na zawsze. Nadciek ma zerową entropię termodynamiczną i nieskończoną przewodność cieplną, co oznacza, że nie może istnieć różnica temperatur między dwoma nadciekami lub dwiema częściami tego samego. Mogą również wspinać się i wychodzić z pojemnika w warstwie o grubości jednego atomu, jeśli pojemnik nie jest szczelnie zamknięty. Konwencjonalna cząsteczka osadzona w nadcieku może poruszać się z pełną swobodą obrotową, zachowując się jak gaz. Inne interesujące właściwości mogą zostać odkryte w przyszłości.
Większość tak zwanych superpłynów nie jest czysta, ale w rzeczywistości jest mieszaniną składnika płynnego i składnika nadciekłego. Potencjalne zastosowania nadpłynów nie są tak ekscytujące i mają tak szeroki zasięg, jak nadprzewodników, ale lodówki rozcieńczające i spektroskopia to dwa obszary, w których znalazły zastosowanie. Być może najciekawsza obecnie aplikacja ma charakter wyłącznie edukacyjny, pokazując, jak efekty kwantowe mogą stać się makroskopowe w skali w określonych ekstremalnych warunkach.