超流体

超流体是一种物质状态，特点是完全缺乏黏性。如果将超流体放置于环状的容器中，由于没有摩擦力，它可以永无止尽地流动。例如液态氦在2.17 K以下时，内摩擦系数变为零，液态氦可以流过半径为十的负五次方厘米的小孔或毛细管，这种现象叫做超流现象(Superfluidity)，这种液体叫做超流体(Superfluid)。

简介

超流体是一种物态，特点是完全缺乏黏性。如果将超流体放置于环状的容器中，由于没有摩擦力，它可以永无止尽地流动。它能以零阻力通过微管，甚至能从碗中向上“滴”出而逃逸。

液态氦在2.17 K以下时，它的内摩擦系数变为零，这时液态氦可以流过半径为十的负五次方厘米的小孔或毛细管，这种现象叫做超流现象(Superfluidity)，这种液体叫做超流体(Superfluid)。

起源

超流体是超低温下具有奇特性质的理想流体，即流体内部完全没有粘滞。超流体所需温度比超导体还低，它们都是超低温现象。氦有两种同位素，即由2个质子和2个中子组成的氦4和由2个质子和1个中子组成的氦3。液态氦-4在冷却到2.17 K以下时，开始出现超流体特征， 20世纪30年代末，苏联科学家彼得·卡皮察首先观测到液态氦4的超流体特性。他因此获得1978年诺贝尔物理学奖。这一现象很快被苏联科学家列夫·郎道用凝聚态理论成功解释。不过，科学家直到20世纪70年代末才观测到氦3的超流体现象，因为使氦3出现超流体现象的温度只有氦4的千分之一。

原理

实验发现，液氦能沿极细的毛细管流动而几乎不呈现任何粘滞性，这一现象首先由卡皮查于1937年观察到的，称之为超流性，实验还发现，存在一个临界速度v，在v以上，超流流动被破坏。氦由正常流体和超流体两部分组成，其中超流部分没有粘滞性，熵也为零，而正常流体部分的性质与普通的经典流体一样，具有粘滞性和熵，朗道认为超流成分则是在理想背景流体上的一些元激发。

碳纳米管膜可以形成超流体

于量子液体低于某临界转变温度会形成超流态。比如氦最丰富的同位素，氦-4，在低于 2.17 K(−270.98°C) 时便会变成超流体。氦-4形成超流态的相变称为Lambda相变(Lambda transition)，因它的比热容对温度曲线形状如同希腊字母“λ”一样。凝聚态物理学中一些相近的相变亦因而叫作Lambda相变。氦较贫乏的另一种同位素，氦-3，在更低的 2.6 mK 成为超流体。这个温度只是比绝对零度高几个毫开尔文。

虽然这两个系统的超流体表征很相似，但其本质却是南辕北辙。氦-4是玻色子，其超流性质可以用玻色-爱因斯坦统计解释。可是，氦-3是费米子，其超流性必须用到描述超导体的BCS理论之推广才可了解。其中，原子代替了电子形成库柏对(Cooper pair)，而它们的吸引作用力调控机制由自旋波动 (Spin fluctuation) 代替了声子。详情请参看费米子凝聚态。超流体和超导体的统一理论可以以规范对称破缺(Gauge symmetry breaking) 表达。

超流体，如超冷冻的氦-4，有很多稀奇的性质。它就像一般液体加上超流体的特有的性质，如全无粘性、零熵度，和无限大的热传导率。(故此在超流体中出现温差是不可能的，就如超导体内没有电势差一样。)其中最令人叹为观止的是“热机效应”(Thermomechanical effect)，或称“喷泉效应”(Fountain effect)。如一纤细管放在一池超流氦之中，而纤细管被加热 (如对它照光)，氦便会爬上管顶。 这是克劳修斯-克拉佩龙方程的结果。另一样奇特现象是超流氦可以在任何放置它的容器表面上形成一层单原子厚度的液体薄膜。

应用

超流体其中一个重要的应用是稀释制冷机 (Dilution refrigerator)。

超流氦-4已成功用作化学领域光谱分析技术的量子溶剂。在超流氦滴光谱分析 (SHeDS) 中，单个分子溶于超流介质之中，使之有有效的旋转自由度，如同在气态之中。这引起了对气体分子研究的极大兴趣。

超流体亦用于高精度仪器，如陀螺仪。它可以量度一些理论预测的引力效应。详情可参看-引力探测器b。

更多的发现

麻省理工学院的物理学家在剑桥发现一种新物质态：超流气体。这种物质是 50 nK 的锂-6。

双原子分子氢 (H2) 亦有超固态。

最新理论

相关书籍

《超流体 》/ (美)沈星扬著 (1982). - 北京: 科学出版社

Mendelssohn, Kurt Alfred Georg (1966). The Quest for Absolute Zero: The Meaning of Low Temperature Physics. New York: World University Library. McGraw-Hill.

Hagen Kleinert, Gauge Fields in Condensed Matter, Vol. I, "SUPERFLOW AND VORTEX LINES", pp. 1–742, World Scientific (Singapore, 1989); Paperback ISBN 9971-5-0210-0 (also available online here)