Superflüssigkeit ist ein Staat der Sache, in der sich die Sache wie eine Flüssigkeit mit der Nullviskosität und dem Nullwärmegewicht benimmt. Die Substanz, die wie eine normale Flüssigkeit aussieht, wird ohne Reibung vorbei an jeder Oberfläche fließen, die ihm erlaubt fortzusetzen, über Hindernisse und durch Poren in Behältern zu zirkulieren, die es halten, nur seiner eigenen Trägheit unterwerfen.

Bekannt als eine Hauptseite in der Studie der Quant-Wasserdrucklehre und makroskopischen Quant-Phänomene wurde die Superflüssigkeitswirkung von Pyotr Kapitsa und John F. Allen und Don Misener 1937 entdeckt. Es ist durch phänomenologische und mikroskopische Theorien seitdem beschrieben worden. Wie man bekannt, ist die Bildung der Superflüssigkeit mit der Bildung eines Kondensats von Bose-Einstein verbunden. Das wird offensichtlich durch die Tatsache gemacht, dass Superflüssigkeit in flüssigem Helium 4 bei viel höheren Temperaturen vorkommt, als es in Helium 3 tut. Jedes Molekül von Helium 4 ist eine boson Partikel auf Grund von seiner Nulldrehung. Helium 3 ist jedoch eine fermion Partikel, die bosons nur durch die Paarung mit sich bei viel niedrigeren Temperaturen in einem Prozess bilden kann, der dem Elektron ähnlich ist, das sich in der Supraleitfähigkeit paart.

In den 1950er Jahren haben Hall und Vinen Experimente durchgeführt, die die Existenz von gequantelten Wirbelwind-Linien in superflüssigem Helium gründen. In den 1960er Jahren haben Rayfield und Reif die Existenz von gequantelten Wirbelwind-Ringen gegründet. Packard hat die Kreuzung von Wirbelwind-Linien mit der freien Oberfläche der Flüssigkeit beobachtet, und Avenel und Varoquaux haben die Wirkung von Josephson in superflüssigem Helium 4 studiert. 2006 hat sich eine Gruppe der Universität Marylands gequantelte Wirbelwinde auf eine eleganteste Weise vergegenwärtigt, indem sie kleine Leuchtspurgeschoss-Partikeln von festem Wasserstoff verwendet.

Eigenschaften

Feige 1 ist das Phase-Diagramm von Ihm. Es ist ein p-T Diagramm, das die festen und flüssigen Gebiete anzeigt, die durch die schmelzende Kurve (zwischen dem flüssigen und festen Zustand) und dem flüssigen und Gasgebiet getrennt sind, das durch die Linie des Dampf-Drucks getrennt ist. Diese Letzterer-Enden im kritischen Punkt (Thermodynamik), wo der Unterschied zwischen Benzin und Flüssigkeit verschwindet. Das Diagramm zeigt das bemerkenswerte Eigentum, dass Er Flüssigkeit sogar an der absoluten Null ist. Helium vier ist nur am Druck über 25 Bar fest.

Feige 1 zeigt auch den λ-line. Das ist die Linie, die zwei flüssige Gebiete im Phase-Diagramm trennt, das von Ihm-I und Ihm-II angezeigt ist. In Ihm-I Gebiet benimmt sich das Helium wie eine normale Flüssigkeit; in Ihm-II Gebiet ist das Helium Superflüssigkeit.

Die Namenlambda-Linie kommt aus der spezifischen Hitze - Temperaturanschlag, der die Gestalt des griechischen Briefs λ hat. Sieh Feige 2. Es zeigt eine Spitze an 2.172 K, dem so genannten λ-point von Ihm.

Unter der Lambda-Linie kann die Flüssigkeit durch das so genannte Zwei-Flüssigkeiten-Modell beschrieben werden. Es benimmt sich, als ob es aus zwei Bestandteilen besteht: Ein normaler Bestandteil, der sich wie eine normale Flüssigkeit und ein superflüssiger Bestandteil mit der Nullviskosität und dem Nullwärmegewicht benimmt. Die Verhältnisse der jeweiligen Dichten ρ/ρ und ρ/ρ, mit ρ (ρ) die Dichte des normalen (superflüssigen) Bestandteils und der ρ die Gesamtdichte), hängt von Temperatur ab und wird in der Feige 3 vertreten. Durch das Senken der Temperatur nimmt der Bruchteil der superflüssigen Dichte von der Null an T zu einem an der Null kelvin zu. Unter 1 K ist das Helium fast völlig superflüssig.

Es ist möglich, Dichte-Wellen des normalen Bestandteils zu schaffen (und folglich des superflüssigen Bestandteils seitdem ρ + ρ = unveränderlich), die gewöhnlichen Schallwellen ähnlich sind. Diese Wirkung wird den zweiten Ton genannt. Wegen der Temperaturabhängigkeit von ρ (Feige 3) sind diese Wellen in ρ auch Temperaturwellen.

Filmfluss

Viele gewöhnliche Flüssigkeiten, wie Alkohol oder Erdöl, schleichen sich feste Wände heran, die durch ihre Oberflächenspannung gesteuert sind. Flüssiges Helium hat auch dieses Eigentum, aber, im Fall von Ihm-II, wird der Fluss der Flüssigkeit in der Schicht durch seine Viskosität, aber durch eine kritische Geschwindigkeit nicht eingeschränkt, die ungefähr 20 cm/s ist. Das ist eine ziemlich hohe Geschwindigkeit, so kann superflüssiges Helium relativ leicht die Wand von Behältern, übertrieben, und unten zu demselben Niveau wie die Oberfläche der Flüssigkeit innerhalb des Behälters in einer Heber-Wirkung, wie illustriert, in der Feige 4 fließen. In einem Behälter, der über dem flüssigen Niveau gehoben ist, bildet es sichtbare Tröpfchen, wie gesehen, in der Feige 5. Sieh Rollin Film.

Superflüssige Wasserdrucklehre

Die Gleichung der Bewegung für den superflüssigen Bestandteil, in einer etwas vereinfachten Form, wird durch das Newtonsche Gesetz gegeben

:

Die MassenM ist die Mahlzahn-Masse von Ihm und ist die Geschwindigkeit des superflüssigen Bestandteils. Die Zeitableitung ist die so genannte hydrodynamische Ableitung, d. h. die Rate der Zunahme der Geschwindigkeit, wenn sie sich mit der Flüssigkeit bewegt. Im Fall von Superflüssigkeit Er im Schwerefeld wird die Kraft durch gegeben

:.

In diesem Ausdruck ist μ der Mahlzahn chemisches Potenzial, g die Gravitationsbeschleunigung und z die vertikale Koordinate. So bekommen wir

:

Eq. (1) hält nur, ob v unter einem bestimmten kritischen Wert ist, der gewöhnlich durch das Diameter des Fluss-Kanals bestimmt wird.

In der klassischen Mechanik ist die Kraft häufig der Anstieg einer potenziellen Energie. Eq. (1) Shows, dass, im Fall vom superflüssigen Bestandteil, die Kraft einen Begriff wegen des Anstiegs des chemischen Potenzials enthält. Das ist der Ursprung der bemerkenswerten Eigenschaften von Ihm-II wie die Brunnen-Wirkung.

Brunnen-Druck

Um Eq umzuschreiben. (1) in der vertrauteren Form verwenden wir die allgemeine Formel

:

Hier ist S das Mahlzahn-Wärmegewicht und V das Mahlzahn-Volumen. Mit Eq. (2) kann μ (p, T) durch eine Linienintegration im p-T Flugzeug gefunden werden. Zuerst integrieren wir vom Ursprung (0,0) zu (p, 0), so an T =0. Als nächstes integrieren wir von (p, 0) zu (p, T), so mit dem unveränderlichen Druck. Sieh Feige 6. Im ersten integrierten dT=0 und im zweiten dp=0. Mit Eq. (2) erhalten wir

Wir interessieren uns nur für Fälle, wo p klein ist, so dass V praktisch unveränderlich ist. So

:

wo V das Mahlzahn-Volumen der Flüssigkeit an T =0 und p =0 ist. Der andere Begriff in Eq. (3) wird auch als ein Produkt V und eine Menge p geschrieben, der die Dimension des Drucks hat

:

Der Druck p wird den Brunnen-Druck genannt. Es kann vom Wärmegewicht von Ihm berechnet werden, der abwechselnd von der Hitzekapazität berechnet werden kann. Für T =T der Brunnen-Druck ist 0.692 Bar gleich. Mit einer Dichte von flüssigem Helium von 125 Kg/M und g = 9.8 m/s entspricht das einer Säule des flüssigen Heliums der 56-Meter-Höhe! Also, in vielen Experimenten hat der Brunnen-Druck eine größere Wirkung auf die Bewegung des superflüssigen Heliums als Ernst.

Mit Eqs. (4) und (5) Eq. (3) erhält die Form

:

Ersatz von Eq. (6) in (1) gibt

:

mit ρ  = M/V die Dichte von Flüssigkeit Er am Nulldruck und der Temperatur.

Eq. (7) Shows, dass der superflüssige Bestandteil durch Anstiege im Druck und im Schwerefeld, wie gewöhnlich, sondern auch durch einen Anstieg im Brunnen-Druck beschleunigt wird.

Bis jetzt Eq. (5) hat nur mathematische Bedeutung, aber in speziellen experimentellen Maßnahmen kann p als ein echter Druck auftauchen. Feige 7. vertritt zwei Behälter beider, Ihn-II enthaltend. Der linke Behälter soll an der Null kelvin (T=0) und Nulldruck (p = 0) sein. Die Behälter werden durch eine so genannte Superleckstelle verbunden. Das ist eine Tube, die mit einem sehr feinen Puder gefüllt ist, so wird der Fluss des normalen Bestandteils blockiert. Jedoch kann der superflüssige Bestandteil durch diese Superleckstelle ohne jedes Problem (unter einer kritischen Geschwindigkeit von ungefähr 20 cm/s) fließen. Im unveränderlichen Staat v=0 so Eq. (7) bezieht ein

:

wo der Index l (r) für die linke (richtige) Seite der Superleckstelle gilt. In diesem besonderen Fall p = 0, z = z, und p = 0 (seit T = 0). Folglich

:

Das bedeutet, dass der Druck im richtigen Behälter dem Brunnen-Druck an T gleich ist.

In einem Experiment, eingeordnet als in der Feige 8, kann ein schöner Brunnen geschaffen werden. Die Brunnen-Wirkung wird verwendet, um den Umlauf von Ihm in Verdünnungskühlschränken zu steuern.

Hitzetransport

Feige 9 vertritt ein Hitzeleitungsexperiment zwischen zwei Temperaturen T und T, der durch eine mit Ihm-II gefüllte Tube verbunden ist. Wenn Hitze auf das heiße Ende angewandt wird, entwickelt sich ein Druck am heißen Ende gemäß Eq. (7). Dieser Druck vertreibt den normalen Bestandteil vom heißen Ende bis zum kalten Ende gemäß

:

Hier ist η die Viskosität des normalen Bestandteils, Z ein geometrischer Faktor und der Volumen-Fluss. Der normale Fluss wird durch einen Fluss des superflüssigen Bestandteils von der Kälte bis das heiße Ende erwogen. An den Endabteilungen findet ein normaler zur superflüssigen Konvertierung statt und umgekehrt. So wird Hitze transportiert, nicht durch die Hitzeleitung, aber durch die Konvektion. Diese Art des Hitzetransports ist sehr wirksam, so das Thermalleitvermögen von ist Ihm-II sehr viel besser als die besten Materialien. Die Situation ist mit Wärmerohren vergleichbar, wohin Hitze über die gasflüssige Konvertierung transportiert wird. Das hohe Thermalleitvermögen von wird wegen Seiner-II gewandt, Superleiten-Magnete solcher als im Großen Hadron Collider an CERN zu stabilisieren.

Theorien

Die phänomenologische und halbmikroskopische Theorie von L. D. Landau der Superflüssigkeit von Helium 4 hat ihn der Nobelpreis in der Physik 1962 verdient. Annehmend, dass Schallwellen die wichtigsten Erregung in Helium 4 bei niedrigen Temperaturen sind, hat er gezeigt, dass Helium das 4 Fließen vorbei an einer Wand würde Erregung nicht spontan schaffen, wenn die Fluss-Geschwindigkeit weniger wäre als die Schallgeschwindigkeit. In diesem Modell ist die Schallgeschwindigkeit die "kritische Geschwindigkeit", über der Superflüssigkeit zerstört wird. (Helium 4 hat wirklich eine niedrigere Fluss-Geschwindigkeit als die Schallgeschwindigkeit, aber dieses Modell ist nützlich, um das Konzept zu illustrieren.) Hat Landau auch gezeigt, dass die Schallwelle und anderen Erregung equilibrate miteinander gekonnt haben und getrennt vom Rest des Heliums 4 fließen, der als das "Kondensat" bekannt ist.

Vom Schwung und der Fluss-Geschwindigkeit der Erregung konnte er dann eine "normale flüssige" Dichte definieren, die Null bei der Nulltemperatur und den Zunahmen mit der Temperatur ist. Bei der so genannten Lambda-Temperatur, wo die normale flüssige Dichte der Gesamtdichte gleichkommt, ist das Helium 4 nicht mehr Superflüssigkeit.

Um die frühen spezifischen Hitzedaten auf superflüssigem Helium 4 zu erklären, hat Landau die Existenz eines Typs der Erregung postuliert, die er einen "roton" genannt hat, aber so bessere Daten sind verfügbar geworden, hat er gedacht, dass der "roton" dasselbe war wie eine hohe Schwung-Version des Tons.

Bijl in den 1940er Jahren,

und Feynman 1955,

entwickelte mikroskopische Theorien für den roton, der mit unelastischen Neutronexperimenten von Palevsky kurz beobachtet wurde.

Landauer hat gedacht, dass vorticity in superflüssiges Helium 4 durch Wirbelwind-Platten eingegangen ist, aber, wie man seitdem gezeigt hat, sind solche Platten nicht stabil gewesen.

Lars Onsager und, später unabhängig, hat Richard Feynman gezeigt, dass vorticity durch gequantelte Wirbelwind-Linien hereingeht. Sie haben auch die Idee von Quant-Wirbelwind-Ringen entwickelt.

Hintergrund

Obwohl die Phänomenologie der superflüssigen Staaten von Helium 4 und Helium 3 sehr ähnlich ist, sind die mikroskopischen Details der Übergänge sehr verschieden. Helium 4 Atome sind bosons und ihre Superflüssigkeit, kann in Bezug auf die Statistik von Bose-Einstein verstanden werden, der sie folgen. Spezifisch kann die Superflüssigkeit von Helium 4 demzufolge der Kondensation von Bose-Einstein in einem aufeinander wirkenden System betrachtet werden. Andererseits wird Helium 3 Atome sind fermions und der superflüssige Übergang in diesem System, durch eine Generalisation der BCS Theorie der Supraleitfähigkeit beschrieben. Darin findet Cooper, der sich paart, zwischen Atomen aber nicht Elektronen statt, und die attraktive Wechselwirkung zwischen ihnen wird durch Drehungsschwankungen aber nicht phonons vermittelt. (Sieh fermion Kondensat.) Eine vereinigte Beschreibung der Supraleitfähigkeit und Superflüssigkeit ist in Bezug auf das Maß-Symmetrie-Brechen möglich.

Superflüssigkeiten, wie Helium 4 unter dem Lambda-Punkt, stellen viele ungewöhnliche Eigenschaften aus. (Sieh Helium#Helium II Staat). Eine Superflüssigkeit handelt, als ob es eine Mischung eines normalen Bestandteils, mit allen Eigenschaften einer normalen Flüssigkeit und einem superflüssigen Bestandteil war. Der superflüssige Bestandteil hat Nullviskosität und Nullwärmegewicht. Die Anwendung der Hitze zu einem Punkt in superflüssigem Helium läuft auf einen Fluss des normalen Bestandteils hinaus, der auf den Hitzetransport an der relativ hohen Geschwindigkeit aufpasst (bis zu 20 cm/s), der zu einem sehr hohen wirksamen Thermalleitvermögen führt.

Ein anderes grundsätzliches Eigentum wird sichtbar, wenn eine Superflüssigkeit in einen rotierenden Behälter gelegt wird. Anstatt gleichförmig mit dem Behälter zu rotieren, besteht der rotierende Staat aus gequantelten Wirbelwinden. D. h. wenn der Behälter mit Geschwindigkeiten unter der ersten kritischen winkeligen Geschwindigkeit rotieren gelassen wird, bleibt die Flüssigkeit vollkommen stationär. Sobald die erste kritische winkelige Geschwindigkeit erreicht wird, wird die Superflüssigkeit einen Wirbelwind bilden. Die Wirbelwind-Kraft wird gequantelt, d. h. eine Superflüssigkeit kann nur an bestimmten "erlaubten" Werten spinnen. Die Folge in einer normalen Flüssigkeit, wie Wasser, wird nicht gequantelt. Wenn die Folge-Geschwindigkeit vergrößert wird, werden immer mehr gequantelte Wirbelwinde gebildet, die sich in netten Mustern einigen, die dem Gitter von Abrikosov in einem Supraleiter ähnlich sind.

Praktische Anwendung

Kürzlich im Feld der Chemie ist superflüssiges Helium 4 in spektroskopischen Techniken als ein Quant-Lösungsmittel erfolgreich verwendet worden. Gekennzeichnet als Superflüssige Helium-Tröpfchen-Spektroskopie (HÜTTEN) ist es von großem Interesse in Studien von Gasmolekülen, weil ein einzelnes Molekül solvated in einem superflüssigen Medium einem Molekül erlaubt, wirksame Rotationsfreiheit zu haben, ihm erlaubend, sich genau zu benehmen, wie es in der "Gas"-Phase würde.

Superflüssigkeiten werden auch in Geräten der hohen Präzision wie Gyroskope verwendet, die das Maß von einigen theoretisch vorausgesagten Gravitationseffekten erlauben (für ein Beispiel, sieh den Artikel Gravity Probe B).

1999 wurde ein Typ von Superflüssigkeit verwendet, um Licht zu fangen und außerordentlich seine Geschwindigkeit zu reduzieren. In einem von Lene Hau durchgeführten Experiment wurde Licht durch einen Bose-Einstein passiert hat Benzin von Natrium (analog einer Superflüssigkeit) kondensiert und hat gefunden, um zu 17 m/s (61.2 kph) von seiner normalen Geschwindigkeit von 299,792,458 Metern pro Sekunde im Vakuum verlangsamt zu werden. Das ändert den absoluten Wert von c nicht, noch es ist völlig neu: Jedes Medium außer dem Vakuum, wie Wasser oder Glas, verlangsamt auch die Fortpflanzung des Lichtes zu c/n, wo n der Brechungsindex des Materials ist. Die sehr langsame Geschwindigkeit des leichten und hohen Brechungsindexes, der in diesem besonderen Experiment außerdem beobachtet ist, ist nicht ein allgemeines Eigentum aller Superflüssigkeiten.

Der Infrarote Astronomische Satelliten-IRAS, gestartet im Januar 1983, um Infrarotdaten zu sammeln, wurde durch 73 Kilogramme superflüssiges Helium abgekühlt, eine Temperatur von 1.6 K (-271.4 °C) aufrechterhaltend. Außerdem, wenn verwendet, in Verbindung mit Helium 3, Temperaturen mindestens werden 40 mK in äußersten niedrigen Temperaturexperimenten alltäglich erreicht. Das Helium 3, im flüssigen Staat an 3.2 K, kann ins superflüssige Helium 4 verdampft werden, wo es als ein Benzin wegen der Eigenschaften des Letzteren als ein Kondensat von Bose-Einstein handelt. Diese Eindampfung zieht Energie vom gesamten System, das in einem normalen Kühlungstechniken völlig analogen Weg gelenzt werden kann.

Technologie des superflüssigen Heliums wird verwendet, um die Temperaturreihe von cryocoolers zu erweitern, um Temperaturen zu senken. Bis jetzt ist die Grenze 1.19 K, aber es gibt ein Potenzial, um 0.7 K zu erreichen.

Entwicklungen des 21. Jahrhunderts

Am Anfang der 2000er Jahre haben Physiker ein Kondensat von Fermionic von Paaren der Ultrakälte fermionic Atome geschaffen. Unter bestimmten Bedingungen, fermion Paare bilden diatomic Moleküle und erleben Kondensation von Bose-Einstein. An der anderen Grenze bilden die fermions (am meisten namentlich Elektronen superführend), Paare von Cooper, die auch Superflüssigkeit ausstellen. Diese Arbeit mit ultrakaltem Atombenzin hat Wissenschaftlern erlaubt, das Gebiet zwischen diesen zwei Extremen zu studieren, die als die BEC-BCS Überkreuzung bekannt sind.

Superfestkörper können auch 2004 von Physikern an der Staatlichen Universität von Penn entdeckt worden sein. Wenn Helium 4 unter ungefähr 200 mK unter dem Hochdruck abgekühlt wird, scheint ein Bruchteil (~1 %) des Festkörpers, Superflüssigkeit zu werden. Dadurch löschen das Abkühlen oder die Verlängerung der Ausglühen-Zeit, so die Erhöhung oder das Verringern der Defekt-Dichte beziehungsweise, es wurde über das torsional Oszillator-Experiment gezeigt, dass der superfeste Bruchteil gemacht werden konnte, sich von 20 % bis völlig nicht existierenden zu erstrecken. Das hat darauf hingewiesen, dass die superfeste Natur von Helium 4 zu Helium 4, aber ein Eigentum von Helium 4 und Unordnung nicht inner ist. Einige erscheinende Theorien postulieren das das superfeste Signal, das in Helium 4 beobachtet ist, war wirklich eine Beobachtung von irgendeinem ein Superglasstaat

oder wirklich superflüssige Korn-Grenzen im Helium 4 Kristall.

Siehe auch

• Makroskopische Quant-Phänomene
• Superdiamagnetism
• Kondensat von Bose-Einstein
• Supraleitfähigkeit
• Quant-Wirbelwind
• Superfester
• Superflüssiger Film
• Douglas D. Osheroff
• Zeitachse der Technologie der niedrigen Temperatur
• Der zweite Ton
• Quant-Akustik
• Quant-Gyroskop
• Quant-Wasserdrucklehre
• Londoner Moment
• Superflüssigkeit von Polariton
• London, F. Superflüssigkeiten (Wiley, New York, 1950)
• D.R. Tilley und J. Tilley, ``Superflüssigkeit und Supraleitfähigkeit, (IOP Publishing Ltd., Bristol, 1990)
• Hagen Kleinert, Maß-Felder in der Kondensierten Sache, Vol. Ich, "SUPERFLUSS UND WIRBELWIND-LINIEN", Seiten 1-742, Welt Wissenschaftlich (Singapur, 1989); internationale Paperback-Standardbuchnummer 9971-5-0210-0 (auch verfügbar online)
• Antony M. Guénault: Grundlegende Superflüssigkeiten. Taylor & Francis, London 2003, internationale Standardbuchnummer 0-7484-0891-6
• James F. Annett: Supraleitfähigkeit, Superflüssigkeiten und Kondensate. Oxford Univ. Presse, Oxford 2005, internationale Standardbuchnummer 978-0-19-850756-7

Links

• Flüssiges Helium II, Superfluid:demonstrations des Lambdas spitzen Paradox des Übergangs/Viskosität / zwei flüssiger Film der Wirkung/Kriechens des Modells/Brunnens / der zweite Ton an.
• Video einschließlich des fremden Verhaltens des superflüssigen Heliums
• Superflüssige Phasen von Helium
• Universität von Lancaster, Extreme Niedrige Temperaturphysik - Superflüssiges Helium 3 Forschungsgruppe.

http://www.aip.org/png/html/helium3.htm http://www.aip.org/pt/vol-54/iss-2/p31.html http://web.mit.edu/newsoffice/2005/matter.html

• Superflüssiges Helium als ein Vakuum
• superflüssige Wasserdrucklehre

• Der hinduistische Artikel über superflüssige Staaten