Ποια είναι τα υπέρρευστα υλικά;

Συχνές ερωτήσεις, Ιούνιος 2003

Ένα υπερρευστό υλικό είναι αυτό που φανερώνει υπερρευστές ιδιότητες σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες, της τάξης μερικών Kelvin. Είναι ένα υλικό που ρέει χωρίς ιξώδες.

Ανακαλύφθηκε αρχικά το 1937 από το Ρώσο φυσικό Peter Kapitsa (Νόμπελ Φυσικής του 1978) και έπειτα από ένα χρόνο βρέθηκε και από το Βρετανό φυσικό John Frank Allen ανεξάρτητα από τον Kapitsa. Και οι δύο παρατήρησαν ότι όταν ψύχθηκε το υγρό ήλιο-4 κάτω από τη θερμοκρασία των 2.17 Κ θα μπορούσε να ρέει μέσω μικροσκοπικών οπών με ευκολία. Το κανονικό υγρό ήλιο πάνω από αυτήν την θερμοκρασία δεν θα μπορούσε να τρέξει εύκολα από τις ίδιες οπές.

Επίσης ανακάλυψαν ότι όταν το ήλιο-4 αποθηκευόταν σε ένα ανοικτό δοχείο σχημάτιζε μια λεπτή ταινία στα τοιχώματα του δοχείου και ανέβαινε πάνω από τα πλευρικά τοιχώματα του δοχείου, υπερνικώντας προφανώς τη βαρύτητα. Όταν το πείραμα επαναλήφθηκε με ήλιο-3, δεν βρέθηκε να ενεργεί με τον ίδιο τρόπο όπως το ήλιο-4.

Από το να ρωτήσετε τι είναι ένα υπερρευστό, ίσως καλύτερα είναι να εξετάσετε τις ιδιότητες ενός τέτοιου υλικού. Όπως ανακαλύφθηκε στα πειράματα του Kapitza και του Allen, εάν ένα υπερρευστό βρεθεί σε ένα ανοικτό δοχείο θα 'σκαρφαλώσει' πάνω στις πλευρές του δοχείου και θα βρεθεί έξω από το δοχείο

Το ιξώδες ενός υπερρευστού υλικού είναι σχεδόν μηδέν. Αυτό συμβαίνει επειδή τα περισσότερα από τα σωματίδια είναι στη βασική κατάσταση με μηδενική ορμή. Αυτό σημαίνει ότι εάν μετακινήσετε το δοχείο, το υπερρευστό υλικό μέσα στο δοχείο δεν θα κινηθεί μαζί με το δοχείο.

Μια άλλη ενδιαφέρουσα ιδιότητα είναι ότι εάν μια ακτίνα φωτός πέσει στο δοχείο, το υπερρευστό σχηματίζει ένα σιντριβάνι και εκτινάσσεται έξω από δοχείο.

Η θερμοκρασία στην οποία ένα υγρό γίνεται υπερρευστό καλείται σημείο l. Εάν φτιαχτεί μια γραφική παράσταση της θερμοκρασίας Τ( σε Kelvin) ως προς την ειδική θερμότητα του ήλιου-4, παρουσιάζει μια ασύμπτωτο στο σημείο l 2.17 Κ. Στο σημείο l τα άτομα κινούνται αρκετά αργά για να δημιουργήσουν μία  ενιαία ενεργειακή κατάσταση στην οποίο δεν επηρεάζονται από άλλα άτομα. Στις υψηλότερες όμως θερμοκρασίες, πάνω από το σημείο l, τα άτομα είναι διαταραγμένα και άτακτα, έχουν υψηλή εντροπία αλλά κάτω από το σημείο l, τα άτομα είναι σε υψηλή τάξη. Παρεμπιπτόντως, αυτό το κρίσιμο σημείο καλείται σημείο l λόγω της μορφής της γραφικής παράστασης, που μοιάζει με l.

Θεωρείται ότι η υπερρευστότητα συνδέεται με τη συμπύκνωση Bose-Einstein. Αυτή η κατάσταση πραγματοποιείται όταν ψύχονται τα μποζόνια κάτω από μια κρίσιμη θερμοκρασία και βρίσκεται στην βασική κατάσταση ένας μεγάλος αριθμός τους. Τα σωματίδια όλα τότε καταλαμβάνουν την ίδια κβαντική κατάσταση και δεν υπάρχει καμία θερμική ενέργεια στα υπερρευστά άτομα.

Όπως αναφέρθηκε πιο πάνω θεωρήθηκε ότι μόνο το ήλιο-4 γίνεται υπερρευστό, αλλά έχει διαπιστωθεί ότι και το ήλιο-3 και το υδρογόνο παρουσιάζουν τα ίδια χαρακτηριστικά, αλλά σε πολύ χαμηλότερες θερμοκρασίες. Οι φυσικοί παλιά νόμιζαν ότι το ήλιο-3 δεν θα μπορούσε να γίνει ποτέ υπερρευστό, λόγω του γεγονότος ότι είναι φερμιόνιο. Εντούτοις, σε μια αρκετά χαμηλή θερμοκρασία, τα φερμιόνια του ηλίου-3 μπορούν να κάνουν ζεύγη, φτιάχνοντας έναν άρτιο αριθμό σωματιδίων στον πυρήνα. Με αυτόν τον τρόπο μετατρέπεται σε μποζόνιο, το οποίο μπορεί να καταλάβει την ίδια κβαντική κατάσταση.

Η θεωρία όμως ακόμα δεν έχει εξηγήσει πλήρως τη συμπεριφορά των υπερρευστών υλικών.