• Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

superfluiditet

Oprindelig forfatter HSmi Seneste forfatter Redaktionen

Superfluiditet. Tæthedsprofil for atomer i en partikelfælde. Den blå kurve svarer til temperaturer, der er større end overgangstemperaturen til den superflydende tilstand, mens den røde kurve viser tæthedsprofilen tæt ved det absolutte temperaturnulpunkt, hvor atomerne alle er kondenserede i en fælles superflydende kvantetilstand.

Superfluiditet. Tæthedsprofil for atomer i en partikelfælde. Den blå kurve svarer til temperaturer, der er større end overgangstemperaturen til den superflydende tilstand, mens den røde kurve viser tæthedsprofilen tæt ved det absolutte temperaturnulpunkt, hvor atomerne alle er kondenserede i en fælles superflydende kvantetilstand.

superfluiditet, strømning uden gnidning. Når sædvanlige væsker som vand eller olie strømmer igennem tynde rør, vil væskens viskositet være bestemmende for, hvor stor en væskemængde der strømmer igennem røret i et vist tidsrum. Jo større viskositeten er, jo mindre er den gennemstrømmede væskemængde for en given trykgradient (se Poiseuilles lov). For superfluide væsker gælder dette imidlertid ikke. De kan uden gnidning strømme igennem ganske tynde rør svarende til, at viskositeten er nul. Fænomenet minder om metallernes superledning.

Superfluiditet optræder i kvantevæsker som fx flydende 4He. Heliumgas kan fortættes ved afkøling til lave temperaturer, få grader over det absolutte nulpunkt. Ved temperaturer over en kritisk værdi på 2,17 K (−270,98 °C) opfører flydende helium sig som en sædvanlig væske, men ved afkøling under denne temperatur mister væsken sin viskositet og kan nu trænge igennem ganske fine porer i en beholder. Væsken har undergået en faseovergang til en superflydende tilstandsform.

Einstein viste i 1925, inspireret af den indiske fysiker S.N. Boses netop fremkomne statistiske teori for en fotongas, at partikler som 4He-atomer, der er bosoner, ved lave temperaturer vil undergå en faseovergang, selvom de antages ikke at vekselvirke indbyrdes. Denne faseovergang betegnes i dag som Bose-Einstein-kondensation og ytrer sig ved, at der under en vis kritisk temperatur er et makroskopisk antal partikler, der befinder sig i samme kvantetilstand. Den kritiske temperatur Tc afhænger af gassens tæthed n, partikelmassen m, Plancks konstant (divideret med 2π) ℏ og Boltzmanns konstantk. Einsteins teoretiske resultat for den ikke-vekselvirkende gas,
Tc = 3,3ℏ2n2/3/mk,
stemmer nogenlunde overens med den iagttagne værdi af den kritiske temperatur for superfluiditeten af helium, til trods for at atomerne i flydende helium vekselvirker kraftigt med hinanden. Der er således en nær sammenhæng mellem superfluiditet og kondensation i en fælles kvantetilstand. Man kan forestille sig væskens gnidningsfri strømning som en fælles, ordnet bevægelse af de partikler, der befinder sig i samme kvantetilstand.

Annonce

Den anden isotop af helium, 3He, bliver også superflydende, men da 3He-atomer er fermioner, bliver den superfluide tilstandsform anderledes (se kvantevæsker). Forekomsten af den superfluide tilstandsform er ikke begrænset til helium. I 1995 blev Bose-Einstein-kondensation påvist i partikelfælder ved nedkøling af alkalimetalatomer som lithium, natrium og rubidium, og i 1998 lykkedes det også at kondensere hydrogenatomer. Vha. elektromagnetiske felter er det muligt at holde sammen på stærkt fortyndede atomare gasser i et tidsrum, der er langt nok til, at Bose-Einstein-kondensation kan iagttages. Virkningen af partikelfælder er baseret på, at atomernes potentielle energi i et område af rummet har et lokalt minimum. Den tilhørende svingningsfrekvens ω og partikeltallet N bestemmer overgangstemperaturen Tc. Den teoretiske sammenhæng er
Tc = 0,94ℏωN1/3/k.
Hvis N = 1.000.000 og ω = 1000 s-1, bliver Tc omkring en mikrokelvin (μK). Mens superfluiditeten af sådanne systemer endnu ikke har været direkte påvist, har kondensationen i en fælles kvantetilstand bl.a. gjort det muligt at fremstille atomlasere med egenskaber, der er beslægtede med fotonlaserens (se laser).

Referér til denne tekst ved at skrive:
Henrik Smith: superfluiditet i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 16. januar 2020 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=167136