Som nevnt i artikkelen om helium er det to stabile isotoper av helium: 3He (0,137 ppm) og 4He. 3He kan fremstilles i en kjernereaktor slik at den kan studeres for seg.  Det viser seg at en prøve som bare inneholder 3He har vesentlig forskjellige egenskaper fra en prøve av ordinær helium hvor 4He dominerer. Det skyldes at 3He er et fermion og 4He er et boson så de følger forskjellig statistikk. Bare ett fermion kan være i en bestemt kvantetilstand mens mange bosoner kan være i samme tilstand. Det forklarer hvorfor en væske som består av 3He har helt andre egnskaper enn en væske som består av 4He se kvantestatistikk.  

Ingen av væskene fryser til et fast stoff ved en atmosfæres trykk uansett hvor lav temperaturen blir. Det skyldes at de tiltrekkende kreftene mellom to heliumatomer er for liten. Først under et trykk på minst 30 atmosfærer krystalliserer begge ved en meget lav temperatur.

Flytende helium har vært studert siden det først ble fremstilt i 1908. Den superflytende tilstanden til 4He ble oppdaget tredve år senere.  Flytende 3He bare har vært studert etter 1950 i de laboratoriene som hadde adgang til 3He. At også  3He kan være superflytende ble funnet i 1972. Det skjedde først når temperaturen var mindre enn 0,002 oK. Begge oppdagelsene ble belønnet med flere Nobelpriser i fysikk (i henholdsvis 1962, 1978, 1996 og 2003).

Vi ser først på egenskapene til flytende helium hvor 4He er den dominerende i isotopen.

Flytende helium, He(l), mellom 4,2 K og 2,2 K kalles helium 1 og under 4,2 K helium 2. Helium 1 og 2 har vesentlig forskjellige egenskaper. Helium 2 leder varme mye bedre enn helium 1.

He(l) en væske fra 4,2 K helt ned til 0 K. Ved en temperatur på 2,17 K, kalt λ-temperaturen, går helium over fra en ordinær væskeform, kalt helium I, til en superflytende form, kalt helium II. Helium II er helt uten viskositet. He(l)  går over til fast form når trykket er større enn 25 atm.

Superflytende helium har spesielle egenskaper. Den kan  renne gjennom meget tynne rør uten friksjon dersom hastigheten ikke er for stor. Men hvis hastigheten er større enn en kritisk hastighet, øker friksjonen raskt. For tynne rør (en liten brøkdel av en millimeter) er den kritiske hastigheten ca. 10 m/s, og for rør med diameter på 1 mm er den på ca. 1 mm/s.

Når flytende helium avkjøles fra 4,2 K, koker den inntil λ-temperaturen nås. Idet helium-væsken blir superflytende, slutter kokingen. I den superflytende tilstanden har helium en ekstremt stor termisk ledningsevne, flere hundre ganger så stor som ledningsevnen for de best ledende metaller, f.eks. kobber. Dette forklarer hvorfor superflytende helium ikke koker. Pga. den store ledningsevnen avgis varme ved fordampning bare fra et tynt lag ved overflaten av væsken.

Ved temperaturer mellom 2,17 K og ca. 1 K kan egenskapene til flytende helium beskrives ved å bruke en tokomponentmodell fremsatt av Lev Landau i 1941. Ifølge denne modellen består flytende helium både av helium I og helium II, der andelen av helium II er større jo lavere temperaturen er. Når temperaturen nærmer seg λ-temperaturen, er andelen av helium II svært liten, og den kritiske hastigheten synker mot null. Da må væsken strømme meget langsomt for å være superflytende. Alle flater i kontakt med flytende helium dekkes raskt av en tynn film (ca. 10 nanometer tykk) av helium. For He II er denne filmen superflytende.

3He er en væske under 3,2 K. Under 2 mK fant tre fysikere ved Cornell University at væsken ble superflytende. Egentlig skulle dette ikke være mulig da 3He-aomene er fermioner. Forklaringen de ga var at atomene dannet par, og paret oppfører seg som et boson og dermed kan 3He bli superflytende. Det var eksperimentelt meget krevende å komme ned til en så lav temperatur. I sine studier gjennomførte de også et tidlig eksempel på MR-tomografi. At de greide å finne at 3He var superflytende inspirerte mange andre!

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.