Vad är en Superfluid?
En överflödig vätska är en materiefas som kan strömma oändligt utan energiförlust. Denna egenskap hos vissa isotoper upptäcktes av Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen och Don Misener 1937. Den har uppnåtts vid mycket låga temperaturer med minst två isotoper av helium, en isotop av rubidium och en isotop av litium.
Endast vätskor och gaser kan vara överflöden. Heliums fryspunkt är till exempel 1 K (Kelvin) och 25 atmosfär av tryck, det lägsta av något element, men ämnet börjar uppvisa överflödiga egenskaper vid cirka 2 K. Fasövergången sker när alla beståndsatomer i ett prov börjar upptar samma kvanttillstånd. Detta händer när atomerna placeras mycket nära varandra och kyls ned så mycket att deras kvantvågfunktioner börjar överlappa varandra och atomerna förlorar sin individuella identitet och uppför sig mer som en enda superatom än en agglomeration av atomer.
En begränsande faktor för vilka material som kan uppvisa överflödighet och som inte kan är att materialet måste vara väldigt kallt (mindre än 4 K) och förbli flytande vid denna kalla temperatur. Material som blir fasta vid låga temperaturer kan inte anta denna fas. När den kyls till mycket låga temperaturer, bildas en superfluid-klar uppsättning av bosoner, atomer med ett jämnt antal nukleoner, till ett Bose-Einstein-kondensat, en superfluid materiefas. När fermioner, atomer med ett udda antal nukleoner, såsom helium-3-isotop, kyls ner till några få Kelvin, är detta inte tillräckligt för att orsaka denna övergång.
Eftersom endast bosoner lätt kan bli ett Bose-Einstein-kondensat måste fermioner först para ihop sig med varandra för att bli en överflödig vätska. Denna process liknar Cooper-parning av elektroner som förekommer i superledare. När två atomer med ojämna antal nukleoner paras ihop med varandra, har de tillsammans ett jämnt antal nukleoner och börjar bete sig som bosoner och kondenseras tillsammans till ett överflödigt tillstånd. Detta kallas ett fermionkondensat och uppträder endast vid temperaturen mK (milliKelvin) snarare än vid några få Kelvin. Den viktigaste skillnaden mellan atomkoppling i en superfluid och elektronparning i en superledare är att atomkopplingen medieras av kvantspinnfluktuationer snarare än genom fonon (vibrationsenergi) utbyte.
Superfluider har några imponerande och unika egenskaper som skiljer dem från andra former av materia. Eftersom de inte har någon inre viskositet kvarstår en virvel bildad i en för evigt. En superfluid har noll termodynamisk entropi och oändlig termisk konduktivitet, vilket innebär att ingen temperaturskillnad kan existera mellan två superfluider eller två delar av samma. De kan också klättra upp och ut ur en behållare i ett atomtjockt lager om behållaren inte är tätad. En konventionell molekyl inbäddad i en överflödig vätska kan röra sig med full rotationsfrihet och uppträda som en gas. Andra intressanta egenskaper kan upptäckas i framtiden.
De flesta så kallade superfluider är inte rena, men är i själva verket en blandning av en vätskekomponent och en superfluid komponent. Superfluids potentiella tillämpningar är inte lika spännande och omfattande som hos superledare, men utspädningskylskåp och spektroskopi är två områden där de har funnit användning. Den kanske mest intressanta applikationen i dag är rent lärorik och visar hur kvanteffekter kan bli makroskopiska i skala under vissa extrema förhållanden.