kvantevæsker

Hvis flydende ⁴He afkøles til en temperatur under 2,17 K, sker der imidlertid det overraskende, at væsken bliver superflydende og fx kan strømme uden gnidning igennem ganske snævre rør. Denne superfluiditet har været kendt siden 1938. Fænomenet er knyttet til forekomsten af Bose-Einstein-kondensation, der består i, at et makroskopisk antal partikler befinder sig i samme kvantetilstand. Pga. at ⁴He-atomet har heltalligt spin og derfor er en boson, kan ⁴He-atomer — i modsætning til fx elektroner, der har halvtalligt spin — besætte samme kvantetilstand. I kvantevæsken ⁴He medfører atomernes kraftige indbyrdes vekselvirkning, at Bose-Einstein-kondensationen selv ved de laveste temperaturer kun omfatter ca. 10% af partiklerne.

Bose-Einstein-kondensation i et fortyndet system af partikler blev i 1995 for første gang påvist eksperimentelt af en amerikansk forskergruppe ved nedkøling af rubidiumatomer (⁸⁷Rb) til temperaturer, der var mindre end 10^-7 K.

Blandt andre karakteristiske fænomener i kvantevæsken ⁴He kan nævnes, at strømhvirvler i den superflydende fase er kvantiseret. Hvirvelkvantets værdi er h/m₄, hvor h er Plancks konstant og m₄ massen af et ⁴He-atom.

Ligesom ⁴He bliver også flydende ³He superflydende ved afkøling, men den temperatur, hvor superfluiditeten indtræder, er omkring tusinde gange mindre, ca. 2 mK, afhængigt af det ydre tryk. Superfluiditeten af ³He blev opdaget i 1972 af de amerikanske fysikere Douglas D. Osheroff, Robert C. Richardson og David M. Lee, som delte Nobelprisen i fysik i 1996 for opdagelsen. Den superflydende væske optræder i forskellige tilstandsformer, afhængigt af temperatur og ydre magnetfelt, og har lighedspunkter med både superledende metaller og flydende krystaller.

De udtalte forskelle mellem de superflydende faser af de to heliumisotoper ³He og ⁴He kan alle føres tilbage til, at ⁴He-atomets kerne indeholder to neutroner, mens der kun er én neutron i ³He-atomets kerne. Da ³He-atomet indeholder et ulige antal partikler, er det ikke en boson, men en fermion. Det indebærer, at Pauliprincippet gælder for ³He-atomer, ligesom det gælder for ledningselektronerne i et metal: I en given kvantetilstand kan der højst anbringes én partikel. Den superflydende tilstandsform i ³He kan derfor ikke umiddelbart knyttes til forekomsten af Bose-Einstein-kondensation. Superfluiditeten har derimod mange træk tilfælles med metallernes superledning, der skyldes, at ledningselektronerne danner par, der kondenserer. Parrenes struktur er i flydende ³He langt mere kompliceret end i metaller. Ved hjælp af bl.a. kernemagnetisk resonans (NMR) er det imidlertid lykkedes at få et detaljeret kendskab til disse eksotiske faser. Også i ³He er strømhvirvler kvantiseret med et hvirvelkvantum lig med h/2m₃, hvor m₃ er massen af ³He-atomet.