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.

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. ^[1]