Superfluidität
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Superfluidität bezeichnet in der Physik den Zustand einer Flüssigkeit, bei der sie jede innere Reibung verliert. Superfluidität wurde 1937 von Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen und Don Misener entdeckt. Das Teilgebiet der Physik, das sich mit Superfluidität beschäftigt, ist die Quantenhydrodynamik.
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Beschreibung
Helium und Lithium 6, die einzigen Elemente, bei dem dieses Phänomen bisher beobachtbar wurde, gehen in den superfluiden Zustand über, wenn ihre Temperatur den Lambdapunkt unterschreitet. Bei 3He liegt diese kritische Temperatur bei etwa 2,6 mK, bei 4He bei 2,2 K. In der superfluiden Phase kann man ungewöhnliche Phänomene beobachten:
- Nahezu ideale Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit, da die Atome im superfluiden Zustand keine Entropie S 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 bei einer Drehung der Flüssigkeit bilden sich (ähnlich den magn. Flusswirbeln im Supraleiter oder Wirbeln in der Badewanne) quantisierte mechanische Wirbel. Diese ordnen sich bei ausreichend hoher Wirbeldichte in einem regelmäßigen hexagonalen Gitter an.
- He-Pegel stellen sich in Nachbargefäßen aufgrund des sog. Rollin-Films (Filmkriechen) auf gleiche Höhe ein (Onnes-Effekt).
Superfluides 4He wird auch als Helium-II bezeichnet, im Gegensatz zum normalfluiden (flüssigen) Helium-I.
Erklärungsansätze
Die Superfluidität lässt sich bisher nicht vollständig theoretisch erklären. Es gibt jedoch verschiedene Ansätze, die die Eigenschaften von superfluidem Helium mindestens qualitativ beschreiben.
Zwei-Fluid-Modell
Das Zwei-Fluid-Modell zur Erklärung der Superfluidität geht zurück auf Lew Dawidowitsch Landau. Da im Temperaturbereich von 1K bis zum Lambda-Punkt Helium sowohl superfluide als auch viskose Eigenschaften zeigt, nimmt man an, dass sich die Gesamtdichte der Flüssigkeit aus einem normalen Anteil, der bei sinkendender Temperatur zunehmend kleiner wird, und einem superfluiden Anteil zusammensetzt. Jedoch lassen sich auch Anregungen im superfluiden Anteil erzeugen, die wie eine Viskosität von superfluidem Helium aussehen. Zieht man z.B. einen schwimmenden Körper über superfluides Helium, so verspürt dieser bis zu einer gewissen Grenzgeschwindigkeit (das sogenannte Landau-Kriterium) keinerlei Reibung. Oberhalb dieser Geschwindigkeit können jedoch Rotonon und bei noch höheren Geschwindigkeiten Phononen angeregt werden, was auf den Körper wie Reibung wirkt. Rechnerisch ergibt sich hierbei eine Grenzgeschwindigkeit von ca. 60 cm/s. In der Tat stellt man allerdings fest, dass die Grenzgeschwindigkeit deutlich unter 1 cm/s liegt. Die Ursache ist die Anregung quantisierter Wirbel in der Superflüssigkeit, sogenannter Vortices. Dieses Pħänomen ist vergleichbar mit der Anregung quantisierter Kreisströme in Supraleitern. Die Vortices dürfen dabei nicht mit den Rotonen verwechselt werden, da letztere eine makroskopische Anregung der Superflüssigkeit darstellen.
Quantenmechanischer Ansatz
Superfluidität lässt sich im Modell der Bose-Einstein-Kondensation erklären. Nach diesem Modell besetzt ein makroskopischer Anteil aller Bosonen den selben Quantenzustand. Dadurch können sämtliche He-Teilchen, die in diesen Grundzustand kondensiert sind, durch eine einzige Wellenfunktion beschrieben werden. Die superfluide Phase ist ebenso wie der Laser und die supraleitende Phase ein makroskopischer Quantenzustand. Als kritische Temperatur für den Phasenübergang zu superfluidem Helium erhält man dabei 3,1K, was etwas höher ist als die gemessenen 2,2K. Es ist zu beachten, dass die Bose-Einstein-Kondensation nicht im Widerspruch zum Zwei-Fluid-Modell steht. Der Anteil der Teilchen, der im Grundzustand kondensiert ist, ist abhängig von der Temperatur. Unterhalb einer kritischen Temperatur (Lambda-Punkt bei 4He) besetzen immer mehr Teilchen den Grundzustand, je niedriger die Temperatur ist. Dabei lässt sich der kondensierte Anteil als superfluides Helium betrachten, bei den restlichen Teilchen handelt es sich um normales flüssiges Helium.
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 Superfluidität von 3He nicht von isolierten Atomen, sondern von der Kopplung zweier Atome ausgeht, sodass man analog zur Cooper-Paar-Bildung bei der Supraleitung ein bosonisches Paar mit Spin 1 erhält. Zwei 3He-Atome können hierbei einen energetisch niedrigeren (und deshalb wahrscheinlicheren) Zustand einnehmen, wenn sich ihre magnetischen Kernmomente (Kernspins) gleichrichten (magn. Zustände) oder entgegengesetzt richten (nichtmagn. Zustand).
Technische Anwendungen
In der Physik und Chemie wird superfluides 4He in der Spektroskopie verwendet. Die Technik wird als Superfluid Helium Droplet Spectroscopy (SHeDS) bzw. Helium Nano Droplet Isolation (HeNDI) Spektroskopie bezeichnet. Die dazu verwendeten Heliumtröpfchen werden in einer adiabatischen Expansion von Helium in einer Vakuumapparatur produziert und besitzen eine Temperatur von lediglich 370 mK. Moleküle oder Cluster, die in superfluidem 4He gelöst sind, können de facto frei rotieren, als ob sie sich im Vakuum befänden.
