Kas yra Superfluidas?

Superskystis yra materijos fazė, galinti be galo tekėti neprarandant energijos. Šią tam tikrų izotopų savybę 1937 m. atrado Piotras Leonidovičius Kapitsa, Johnas F. Allenas ir Donas Miseneris. Ji buvo pasiekta labai žemoje temperatūroje naudojant mažiausiai du helio izotopus, vieną rubidžio izotopą ir vieną ličio izotopą.
Tik skysčiai ir dujos gali būti superskysčiais. Pavyzdžiui, helio užšalimo temperatūra yra 1 K (Kelvinas) ir 25 atmosferos slėgis, žemiausias iš visų elementų, tačiau medžiaga pradeda rodyti superskysčio savybes esant maždaug 2 K. Fazinis perėjimas įvyksta, kai visi mėginį sudarantys atomai pradeda tirpti. užima tą pačią kvantinę būseną. Taip atsitinka, kai atomai yra labai arti vienas kito ir atšaldomi tiek, kad jų kvantinės bangos funkcijos pradeda persidengti ir atomai praranda savo individualią tapatybę, elgdamiesi labiau kaip vienas superatomas, o ne kaip atomų sankaupa.

Ribojantis veiksnys, dėl kurio medžiagos gali būti perteklinės, o ne, yra tai, kad medžiaga turi būti labai labai šalta (mažiau nei 4 K) ir išlikti skysta esant tokiai šaltai temperatūrai. Medžiagos, kurios žemoje temperatūroje tampa kietos, negali prisiimti šios fazės. Atvėsus iki labai žemos temperatūros, superskysčiui paruoštas bozonų rinkinys, atomai su lyginiu skaičiumi nukleonų, susiformuoja į Bose-Einstein kondensatą, superskystę medžiagos fazę. Kai fermionai, atomai su nelyginiu skaičiumi nukleonų, pavyzdžiui, helio-3 izotopas, atšaldomi iki kelių kelvinų, to nepakanka šiam perėjimui sukelti.

Kadangi tik bozonai gali lengvai tapti Bose-Einšteino kondensatu, fermionai pirmiausia turi susiporuoti vienas su kitu, kad taptų superskysčiu. Šis procesas panašus į Cooperio elektronų poravimą, kuris vyksta superlaidininkuose. Kai du atomai su nelyginiu nukleonų skaičiumi susiporuoja vienas su kitu, jie kartu turi lyginį nukleonų skaičių ir pradeda elgtis kaip bozonai, kondensuodamiesi į superskystę būseną. Tai vadinama fermiono kondensatu ir susidaro tik esant mK (miliKelvino) temperatūrai, o ne keliams kelvinams. Pagrindinis skirtumas tarp atomų poravimosi superskystyje ir elektronų poravimosi superlaidininkyje yra tas, kad atomų poravimą lemia kvantiniai sukimosi svyravimai, o ne fononų (vibracinės energijos) mainai.

Superskysčiai turi keletą įspūdingų ir unikalių savybių, išskiriančių juos iš kitų materijos formų. Kadangi jie neturi vidinio klampumo, juose susidaręs sūkurys išlieka amžinai. Superskystis turi nulinę termodinaminę entropiją ir begalinį šilumos laidumą, o tai reiškia, kad tarp dviejų superskysčių arba dviejų to paties dalių negali būti temperatūrų skirtumo. Jie taip pat gali lipti aukštyn ir išlipti iš talpyklos vieno atomo storio sluoksniu, jei indas nėra sandarus. Įprasta molekulė, įterpta į superskystį, gali judėti visiškai laisvai suktis ir elgtis kaip dujos. Ateityje gali būti atrasta ir kitų įdomių savybių.

Dauguma vadinamųjų superskysčių nėra gryni, o iš tikrųjų yra skysčio komponento ir superskysčio komponento mišinys. Galimas superskysčių pritaikymas nėra toks įdomus ir platus kaip superlaidininkų, tačiau skiedimo šaldytuvai ir spektroskopija yra dvi sritys, kuriose jie buvo naudojami. Ko gero, įdomiausias pritaikymas šiandien yra grynai edukacinis, parodantis, kaip tam tikromis ekstremaliomis sąlygomis kvantiniai efektai gali tapti makroskopinio masto.