Superfluid

Superfluid ili supratekućina je naziv za agregatno stanje koje nastaje u nekim ukapljenim plinovima na vrlo niskim temperaturama (2,17 K za helijev izotop ⁴He), a svojstveni su mu nestanak viskoznosti i beskonačno velika toplinska vodljivost. Pored toga približavanjem temperaturi prijelaza (tzv. lambda točka) specifični toplinski kapacitet također teži k beskonačno velikoj vrijednosti.

Supratekućina ispunjava uronjenu posudu sve dok se razine ne izjednače.

Suprafluidni helij koji se nalazi u gornjoj posudi će pomalo isticati iz nje, kap po kap, sve dok se ne isprazni.

Historija

Suprafluidnost je stanje ukapljenoga helija koje se očituje gibanjem tekućine bez trenja na ekstremno niskoj temperaturi uz očuvana adhezijska svojstva. Otkrio ju je 1937. Pjotr Leonidovič Kapica, a neovisno o njemu otkrili su je iste godine Donald Misener i John Frank Allen proučavajući pojave do kojih dolazi kada se helij ohladi na temperaturu nižu od 2,17 K. Ako se u suprafluidni helij djelomično uroni prazna posuda, po njezinim će se stijenkama u tankom sloju (do 30 nm) helij penjati i spuštati u posudu sve dok se razina helija u posudi ne izjednači s razinom okolnoga helija; ako se kapilarna cjevčica jednim krajem uroni u suprafluidni helij i osvijetli, na njezinu će gornjem kraju istjecati helij poput vodoskoka visoka do 10 centimetara (takozvani učinak vodoskoka). Danska fizičarka Lena Hau uspjela je 1999. u suprafluidu usporiti svjetlost do brzine 17 m/s, a 2001. uspjela ju je zaustaviti.

Helijevi izotopi ⁴He i ³He imaju različita suprafluidna stanja, a zbog različitoga broja neutrona u atomskoj jezgri (različitog spina) pripadaju različitim statistikama (kvantna statistika). Izotop helija ⁴He, sa spinom 0, je bozon, podvrgava se Bose-Einsteinovoj statistici, ukapljuje se na 4,2 K i prelazi u suprafluidno stanje na temperaturi 2,17 K, a izotop ³He, sa spinom 1/2, podvrgava se Fermi-Diracovoj statististici, ukapljuje se na 3,19 K, postaje suprafluidan na temperaturi 2,6 mK i ima dva različita suprafluidna stanja.

Teorijski doprinos tumačenju suprafluidnosti helijeva izotopa ⁴He prvi su dali Laszlo Tisza i Lev Davidovič Landau 1941. u dvokomponentnom modelu s kvazičesticama fononima i rotonima, a kvantnomehanički ju je nadogradio Richard Feynman. Objašnjenje suprafluidnosti izotopa ³He uklopilo se u poopćenu BCS-teoriju (supravodljivost). Postizanje suprafluidnosti još je vrlo skupo zbog potrebnih izuzetno niskih temperatura i iznimne čistoće helija, pa se primjenjuje uglavnom u znanstvenim istraživanjima, na primjer pri proučavanju pojedinačnih molekula plina u suprafluidu, gdje se one zbog nedostatka trenja gibaju potpuno slobodno; za održavanje osjetljivih mjernih instrumenata ili dijelova instrumenata na niskoj temperaturi (u astronomskom satelitu za opažanje infracrvenoga zračenja, IRAS, koji je lansiran 1983., s pomoću 720 litara suprafluidnoga helija instrumenti se čuvaju na temperaturi 1,6 K). U širem smislu stanje elektrona u supravodiču također je suprafluidno.