Superfluidität

Superfluidität bezeichnet in der Physik den Zustand einer Flüssigkeit, bei dem die Flüssigkeit jede innere Reibung verliert. Superfluidität wurde 1937 von Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen und Don Misener entdeckt und lässt sich am einfachsten mit Hilfe des Zwei-Fluid-Modells beschreiben.

Helium, das einzige Element bei dem dieser Zustand beobachtet wurde, geht in den suprafluiden Zustand über, wenn seine Temperatur den Lambdapunkt unterschreitet. Bei ³He liegt diese kritische Temperatur bei etwa 2,6mK, bei ⁴He bei 2,2K.

Suprafluidität lässt sich im Modell der Bose-Einstein-Kondensation erklären, bei der ein makroskopischer Anteil aller Bosonen den selben Quantenzustand besetzen. Dadurch können sämtliche He-Teilchen, die in diesen Grundzustand kondensiert sind, durch eine einzige Wellenfunktion beschrieben werden. Die suprafluide Phase ist ebenso wie der Laser und die supraleitende Phase ein makroskopischer Quantenzustand.

Im Gegensatz zu den bosonischen ⁴He-Atomen handelt es sich bei den Atomen des in der Natur selten vorkommenden ³He um Fermionen. Für diese gilt nicht die Bose-Einstein-Statistik, sondern die Fermi-Dirac-Statistik. Für die ³He-Atome kann daher das Modell der Bose-Einstein-Kondensation nicht angewandt werden. Dennoch beobachtet man auch bei ³He Superfluidität. Dies ist jedoch kein Widerspruch, wenn man bei der Suprafluidität von ³He nicht von isolierten Atomen, sondern von der Kopplung zweier Atome ausgeht, sodass man analog zur Cooper-Paar-Bildung ein bosonisches Paar erhält. 2 ³He-Atome können hierbei einen energetisch niedrigeren (und deshalb günstigeren) Zustand einnehmen, wenn sich ihre magnetischen Kernmomente (Kernspins) gleichrichten (magn. Zustände) oder entgegengesetzt richten (nichtmagn. Zustand).

Weitere interessanten Phänomene, die man u.a. in der suprafluiden Phase beobachten kann:

- Nahezu ideale Wärmeleitfähigkeit, da die Atome im suprafluiden Zustand keine Entropie transportieren können. Der endliche Wert der Wärmeleitfähigkeit ist dem normalfluiden Restanteil bei T>0 zuzuschreiben, der Entropie und damit Wärmeenergie transportieren kann.

- Als angeregte Zustände bilden sich (ähnlich wie die magn. Flussschlauch im Supraleiter) quantisierte mechanische Wirbel (wie die Wirbel in der Badewanne)

- He-Pegel stellen sich in Nachbargefäßen aufgrund des sog. Rollin-Films(Filmkriechen) auf gleiche Höhe ein

In der Chemie wird superfluides ⁴He in der Spektroskopie verwendet. Die Technik wird als Superfluid Helium Droplet Spectroscopy (SHeDS) bezeichnet. Gasmoleküle, die in superfluidem ⁴He gelöst sind, können de facto frei rotieren, als ob sie sich im Gas befänden.

Das Teilgebiet der Physik, das sich mit Superfluidität beschäftigt, ist die Quantenhydrodynamik.