Vad är en Supraflytande?

February 28

En supra är en fas av materia som kan flöda oändligt utan energiförlust. Denna egenskap hos vissa isotoper upptäcktes av Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen, och Don Misener 1937. Det har uppnåtts vid mycket låga temperaturer med minst två isotoper av helium, en isotop av rubidium och en isotop av litium.

Endast vätskor och gaser kan vara supravätskor. Till exempel är helium fryspunkt 1 K (Kelvin) och 25 atmosfärers tryck, den lägsta av alla element, men ämnet börjar uppvisar supra fastigheter på ca 2 K. fasövergång inträffar när alla de ingående atomerna i ett prov börjar ockupera samma kvanttillstånd. Detta händer när atomerna är placerade mycket nära varandra och kyls ned så mycket att deras kvant vågfunktioner börjar överlappa och atomerna förlorar sina individuella identiteter, beter mer som en enda super atom än en anhopning av atomer.

En begränsande faktor på vilka material som kan uppvisa suprafluiditet och som inte kan är att materialet måste vara mycket mycket kall (mindre än 4 K) och förblir flytande vid denna kalla temperatur. Material som blir fasta vid låga temperaturer kan inte anta denna fas. När kyls till mycket låga temperaturer, en suprafärdig uppsättning bosoner, atomer med ett jämnt antal nukleoner bildar in i en Bose-Einstein-kondensat, ett supra fas av materia. När fermioner, atomer med ett udda antal nukleoner såsom helium-3 isotopen, kyls ned till några få Kelvin, är detta inte tillräckligt för att orsaka denna övergång.

Eftersom endast bosoner lätt kan bli en Bose-Einstein kondensat, måste fermioner först para ihop med varandra för att bli en supra. Denna process liknar den Cooper parningen av elektroner som förekommer i supraledare. När två atomer med udda antal nukleoner par med varandra, de kollektivt besitter ett jämnt antal nukleoner och börja att bete sig som bosoner, kondense ihop till en supraflytande tillståndet. Detta kallas ett fermion kondensat, och framträder först vid mK (milliKelvin) temperaturnivå snarare än på några Kelvin. Den huvudsakliga skillnaden mellan atom pairing i en supra och elektron pairing i en supraledare är att atom pairing förmedlas av kvant spin svängningar snarare än genom phonon (vibrationsenergi) utbyte.

Supravätskor har några imponerande och unika egenskaper som skiljer dem från andra former av materia. Eftersom de inte har någon intern viskositet, en virvel bildas inom en kvar evigt. En supra har noll termodynamisk entropi och oändliga värmeledningsförmåga, vilket innebär att ingen temperaturskillnad kan finnas mellan två supravätskor eller två delar av samma man. De kan också klättra upp och ut ur en behållare i en en-atom-tjockt skikt om behållaren inte är förseglad. En konventionell molekyl inbäddad i en supra kan flytta med full rotationsfrihet, beter sig som en gas. Andra intressanta egenskaper kan upptäckas i framtiden.

De flesta så kallade supravätskor inte är rena, men är i själva verket en blandning av en vätskekomponent och en supra komponent. De potentiella tillämpningar av supravätskor är inte lika spännande och omfattande som de i supraledare, men utspädnings kylskåp och spektroskopi är två områden där de har funnit användning. Den kanske mest intressanta ansökan idag är rent pedagogiskt, som visar hur kvanteffekter kan bli makroskopisk skala under vissa extrema förhållanden.

  • Endast vätskor och gaser kan vara supravätskor.