Superfluiditet
Superfluiditet er en stofflig fase som karakteriseres ved at fluidet er viskositetsfritt, dvs. et superfluid som er satt i bevegelse vil forbli i bevegelse. Fenomenet har en kvantemekanisk opprinnelse, Bose-Einstein kondensasjon, og fenomenet opptrer ved lave temperaturer. Fasen superfluiditet oppstår etter en annenordens faseovergang.
Superfluiditet kan finnes i følgende systemer
Superfluiditet ble oppdaget av Pjotr Kapitsa, John F. Allen og Don Misener i 1937. Teoretisk begrunnelse av fenomenet ble gitt av Lev Landau i 1941.
Bosonisk helium rediger
Bosonisk helium, 4He, er den desidert mest vanlige heliumisotopen og heretter kun omtalt som helium. Helium er flytende under 4,22 K (–268,93 °C) og det eneste stoff som aldri blir fast ved kjøling dvs. det har smeltepunkt ved 0 K (ved atmosfærisk trykk). Ved videre avkjøling er helium en vanlig viskøs væske, kalt helium I, ned til den såkalte lambda-temperaturen på 2,172 K (–271 °C), hvor superfluiditet oppstår ved en annenordens faseovergang. Denne fasen er kalt helium II. Det virkelig snodige med helium II er at væsken har en splittet natur: den har en superflytende og en normal komponent som flyter uavhengig av hverandre og avhenger av temperaturen slik at ved lambda-temperaturen er væsken helt normal og ved T=0 K er væsken helt superflytende. Den superflytende komponenten er assosiert med en kompleks ordensparameter som også kan tolkes som en makroskopisk, kvantemekanisk, kompleks, bølgefunksjon. Denne oppstår som resultat av en Bose-Einstein kondensasjon.Ordensparameteren og den annenordens faseovergangen har superfluider til felles med supraledning, som er et relatert fenomen.
Begrunnelsen for mangelen på friksjon i superfluid helium II ble gitt av Lev Landau i 1941 og den skyldes energispekteret: ved lave hastigheter vil det simpelthen ikke være mulig for beholderen å eksitere fononer i væsken og dermed er energioverføring til omgivelsene umulig, og ingen viskositet.
Videre bør det nevnes at superfluidkomponenten har null entropi.
Superflytende helium II har en rekke merkverdige egenskaper
- Væsken er rotasjonsfri med unntak av kvantiserte virvler.
- En temperaturgradient i væsken påvirker ikke superfluidet.
- Superfluidet kryper opp langs veggene i beholderen den er i.
- En roterende plate vil etter en tid stoppe opp, noe som viser eksistensen av en normalkomponent.
Fermionisk helium rediger
Fermionisk helium, 3He, er en forholdsvis sjelden heliumisotop som har kokepunkt på 3.2K. Siden 3He tilfredsstiller Fermi-Dirac statistikk har den helt andre egenskaper ved lave temperaturer en bosonisk helium, så den kan ikke helt uten videre få en Bose-Einstein kondensasjon. Superfluiditet i 3He oppstår ved at atomene parvis adlyder Bose-Einstein statistikk, også kalt Cooperpar. Dette er det samme som skjer med elektronene i en superleder. Overgangen til superfluid skjer ved svært lave temperaturer, av orden mK.
Tynne gasser rediger
Noen gasser under ekstremt lav trykk og temperatur kan være superflytende, f.eks litium. Disse gassene er vanskelige å eksperimentere med, men er svært viktige fordi de er langt enklere å behandle teoretisk enn helium, som er en væske.
Bøker rediger
- E.M.Lifshitz, L.P.Pitaevskii, «Statistical Physics, Part 2 : Volume 9»
- R.J. Donnelly, «Quantized Vortices in Helium II»
- C. J. Pethick, H. Smith, «Bose-Einstein Condensation in Dilute Gases»
Relaterte evner rediger