superfluiditet

Artikkelstart

Superfluiditet er en tilstand der en væske strømmer uten motstand. For eksempel kan et superfluid strømme tilsynelatende uten friksjon gjennom svært trange åpninger der vanlige væsker og gasser ikke vil kunne komme gjennom. Superfluiditet har til nå bare blitt observert ved svært lave temperaturer.

Faktaboks

Etymologi
av super og latin ‘flyteevne’

Oppdagelse

Fasediagrammet til isotopen 4He ved svært lave temperatur. Ved standard trykk (0.1 MPa) er 4He en gass over 4,2 K, en vanlig væske mellom 2,18 og 4,2 K, og et superfluid under 2,18 K.
Et superfluid strømmer gjennom et porøst materiale bestående av tynne kanaler og mot høyere temperatur.

Oppdagelsen av superfluiditet er sterkt knyttet til studier av flytende helium. Helium har det laveste kokepunktet av alle stoffer, og blir flytende ved 4,2 K ved normalt trykk. I 1911 observerte Heike Kamerlingh Onnes at flytende helium viste unormal stor varmeledningsevne når man kjøler det ned til temperaturer lavere enn 2,18 K. I 1932 ble det rapportert at flytende helium slutter å koke når man kjøler det ned under 2,18 K, og i 1935 rapporterte en kanadisk forskergruppe at flytende helium har svært lav viskositet når det er kjølt ned under denne temperaturen.

I en serie eksperimenter midt på 1930-tallet fant Willem Keesom og samarbeidspartnere ut at heliumisotopen 4He har to ulike tilstander, som de kalte He-I og He-II. He-I eksisterer ved normalt trykk mellom 2,18 K og 4,2 K, mens He-II eksisterer under 2,18 K. Mens He-I oppfører seg normalt, hadde He-II unormalt høy varmeledningsevne. I tillegg viste temperaturvariasjonene i den spesifikke varmekapasiteten et skarpt maksimum som lignet den greske bokstaven λ. Denne temperaturen ble derfor kalt heliums λ-punkt (lambda-punkt). En viktig utvikling kom i 1938, da to uavhengige studier av henholdsvis Pjotr Kapitsa og John Allen og Donald Misener rapporte at He-II kunne strømme omtrent uten friksjon gjennom små kapillarer. Kapitsa gav væsken navnet superfluid, i analogi med superledere som allerede var godt kjent. Allen og Misener viste også at strømningshastigheten er uavhengig av trykket som blir anvendt, noe som ikke kan forklares av klassisk fysikk og dermed ikke er i tråd med Poiseuilles lov. Noe senere viste Allen og Misener at man også kunne lage heliumfontener ved hjelp av He-II.

Fritz London var en av de første som gjorde viktige bidrag til forståelsen av superfluider. Siden helium har fylte elektronskall, så er vekselvirkningene mellom atomene svake. Han merket seg at siden helium har liten atommasse, vil kvantefluktuasjonene være vesentlige og bidra til at helium forblir i væskeform helt ned til 0 K. I lys av oppdagelsen av superfluidet He-II i 1938, foreslo han at He-II er en kvantevæske der atomene befinner seg i samme kvantetilstand. Siden heliumisotopen 4He er et boson med spinnkvantetall 0, så mente han at det dannet seg et Bose-Einsteinkondensat ved kjøling av flytende helium under lambdapunktet. Laszlo Tisza introduserte samme år den såkalte to-fluid modellen for å forklare eksperimentene. Senere ble avgjørende bidrag til forståelsen av superfluiditet gitt av Lev Landau og andre.

Det var opprinnelig antatt at bare 4He kunne være et superfluid på grunn av sine bosoniske egenskaper. Den andre heliumisotopen, 3He, er et fermion med spinnkvantetall ½, og man tenkte at det ikke kunne bli et superfluid. På den andre side var det også kjent at elektroner i superledere danner Cooper par med motsatte spinnretninger som kan danne et slags Bose-Einsteinkondensat. I 1972 viste David Lee, Robert Richardson og Douglas Osheroff at også 3He utviste superfluiditet ved temperaturer bare noen få tusendels grader over det absolutte nullpunkt. I senere år har man vist at også andre gassmolekyler enn helium kan kjøles ned og bli superfluider.

Egenskaper og anvendelser

En fontene basert på at He-II beveger seg gjennom et porøst materiale og mot varmeelementet.

Superfluider har en rekke egenskaper som motstrider det vi forbinder med vanlige væsker. En vanlig væske er satt sammen av atomer som beveger seg med uregelmessige og ustanselige bevegelser på en slik måte at vekselvirkningene mellom atomene gir opphav til friksjon. Dette betyr at en vanlig væske alltid har en endelig viskositet. I et superfluid vil derimot atomene bevege seg koherent og danne en makroskopisk bølgefunksjon. Dette betyr at væsken kan strømme tilsynelatende uten friksjon, og danner kvantiserte virvler ved passende røring.

Et superfluid har gjerne redusert overflatespenning sammenlignet med den vanlige væsken den kjøles ned fra, og det fører til at væsken flyter ut til en tynn film. Denne filmen er likevel tykk nok til at superfluid kan strømme opp og ut av et beger.

En annen spesiell egenskap ved superfluider er at de, i motsetning til vanlige væsker, strømmer gjennom trange kanaler og mot høyere temperatur. Dette ble brukt av Allen og Misener til å lage en type superfluid-fontene.

Superfluider har blitt brukt i presise gyroskoper som de man brukte i Gravity Probe B. De kan også brukes som kvante-løsemiddel der andre molekyler kan bevege seg fritt rundt i grunntilstanden, slik at man kan gjøre presise målinger av disse molekylene.

Les mer i Store norske leksikon

Litteratur

  • S. Balibar, «The discovery of superfluidity», Journal of Low Temperature Physics, 146, 441-470 (2007).

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg