Superfluiditet: Definition, egenskaber og anvendelser af superfluider

Superfluiditet er en stoftilstand, hvor en væske kan opføre sig meget mærkeligt.

Nogle af de ting, som en superfluid kan gøre, er:

• Det kan flyde meget let. (Hvor let en væske kan flyde kaldes dens viskositet.) Faktisk flyder den så let, at friktion ikke ændrer den måde, den flyder på; den har nul viskositet. På grund af dette kan den faktisk flyde ud af en beholder, f.eks. en skål, selv når skålen ikke er tippet, så væsken kan løbe ud.
• Den står stille, når beholderen drejes, i stedet for at starte en hvirvelstrøm, som når en håndvask fuld af vand tømmes. Der dannes dog en hvirvelstrøm, hvis beholderen drejes ved og over en vis hastighed.

Indtil videre har forskerne kun været i stand til at skabe superfluider ved ekstremt kolde temperaturer. Superfluider har dog en hel del anvendelsesmuligheder inden for videnskaben i dag, f.eks:

• Superfluid Helium ved -271,4 grader Celsius [-456,2 grader Fahrenheit] blev brugt i en særlig satellit i 1983 til at få oplysninger om infrarøde bølger i rummet.
• Superfluider kan bruges i gyroskoper for at hjælpe maskiner med at forudsige oplysninger om tyngdekraftsbevægelser, som ikke kan opfanges med almindelige instrumenter alene.
• En slags superfluid blev brugt til at fange og bremse en lysstråle fra dens normale hastighed på 1.079.000.000.000 km/t til kun 62,2 km/t. Det betyder, at lysstrålen bevægede sig med 0,00000567104 % af dens hastighed i et vakuum, eller 17 millioner gange langsommere.

Der findes også en anden stoftilstand, der kaldes en superfast tilstand, men det er mere kompliceret, hvordan de dannes.

Hvad sker der fysisk i en superfluid?

Superfluiditet opstår, når mange partikler falder ind i samme kvantetilstand og begynder at opføre sig samlet som én bølgefunktion. For helium-4 skyldes dette, at atomkernerne (helium-4‑atomerne) er bosoner, og ved lave temperaturer kan de danne et Bose–Einstein-kondensat. Når en væske er i denne tilstand, forsvinder den sædvanlige indre friktion (viskositet), og strømmen bliver i praksis friktionsfri.

Der er også superfluiditet i helium-3, men fordi helium-3‑atomer er fermioner, kræver superfluiditeten, at par af fermioner danner et tilsvarende par (ligner Cooper-par i en superleder). Derfor sker helium-3‑superfluiditet ved langt lavere temperaturer (millikelvin‑området) end helium-4.

Nøgleegenskaber

• Nul viskositet: Strømmen oplever ingen intern friktion og kan bevæge sig uden energitab.
• Rollin-film (tynd film): Superfluider kan danne en ultratynd film, der klatrer op ad og løber over beholderens kanter, hvilket forklarer hvordan væsken kan "løbe ud" uden at skålen er tippet.
• Kvantiserede hvirvler: Når en superfluid roterer hurtigt nok, dannes ikke vilde turbulente hvirvler som i almindelige væsker, men i stedet diskrete, kvantiserede vorteksler med en fast mængde cirkulation.
• Kritisk hastighed: Der findes en tærskel (kritisk hastighed), under hvilken strømmen forbliver friktionsfri; over denne kan excitationer og dissipation opstå og føre til tab af superfluiditet lokalt.
• Anden lyd: Superfluider kan understøtte en speciel bølgeform kaldet "anden lyd", hvor varme og entropi bevæger sig som en bølge (modsat almindelig lyd som er trykbølger).
• Vedvarende strømme: Superfluid cirkulationsstrømme kan være ekstremt stabile og vedvarende i lang tid uden aftagelse.

Eksempler og eksperimenter

Det mest kendte superfluid er helium-4, som bliver superfluid under lambda‑punktet ved cirka 2,17 K (-270,98 °C). I eksperimentel forskning bruges også ultrakolde atomgasser (fx sodium eller rubidium), der er kølet til nanokelvin‑temperaturer for at danne Bose–Einstein‑kondensater. Det var i sådanne kondensater, at forskere kunne bremse og endda standse lys ved hjælp af fænomenet elektomagnetisk induceret transparens (EIT) — et resultat af stærk interaktion mellem lys og kondensatet.

Anvendelser

Superfluider bruges i dag primært til forskning og i specialiseret teknik:

• Køling og rumforskning: Superfluidt Helium blev og bliver brugt som kølemiddel i følsomme instrumenter til rumfart og astronomi, fordi det kan holde ekstremt lave temperaturer og give stabil afkøling (jf. den nævnte satellit fra 1983).
• Gyroskoper og inertialsystemer: Pga. superfluidets stabile rotationsopførsel kan det indgå i højpræcisionsgyroskoper til måling af orientering og rotation.
• Kvanteforskning og teknologi: Bose–Einstein‑kondensater og superfluider bruges som platforme til at studere kvantefænomener makroskopisk — fx kvantevorteksler, kvantetransporter og som laboratorier for kvantesimulering.
• Langsomt lys og fotonik: Eksperimenter med superfluider/bose‑kondensater viste, at det er muligt at bremse og midlertidigt lagre lys, hvilket har betydning for optisk informationsteknologi og kvantekommunikation.

Begrænsninger og udfordringer

Superfluiditet kræver typisk temperaturer meget tæt på det absolutte nulpunkt, hvilket gør praktiske anvendelser dyre og komplekse. Desuden er effekter i makroskala — som at overføre superfluidegenskaber til almindelige væsker ved stuetemperatur — ikke mulige med nuværende viden. Forskning i atomare kondensater, nye materialer og koblinger mellem superfluiditet og superledning fortsætter, fordi teknologiske gennembrud kan åbne for nye anvendelser.

Kort opsummering

Superfluiditet er en kvantemekanisk tilstand, hvor en væske opfører sig uden intern friktion og viser en række usædvanlige fænomener som Rollin‑film, kvantiserede hvirvler og vedvarende strømme. De vigtigste eksempler er superfluidt helium og ultrakolde Bose–Einstein‑kondensater. Selvom krævende at skabe, er superfluider et værdifuldt redskab i moderne fysik og teknologi.

Spørgsmål og svar

Q: Hvad er superfluiditet?

Q: Hvordan opfører superfluiditet sig i en beholder?

Q: Hvad skal der til for at skabe superfluider?

Q: Hvad kan superfluider bruges til inden for videnskaben?

Q: Hvad er et supersolid?

Q: Hvad er viskositet?

Q: Kan superfluiditet forekomme ved stuetemperatur?

Søg efter bogstav