Suprafluidität

De Suprafluidität oder Suprafletigkeit is in de Physik en Beteken för den Tostand vun en Fletigkeit, in den se jeed binnere Rieven verlütt. Opdeckt weer de Superfluidität to’n eersten mol 1937 vun Pjotr Leonidowitsch Kapiza, John F. Allen un Don Misener. Dat wetenschopplich Deelrebett, dat sik mit Suprafluiden befaten deit, is de Quantenhydrodynamik.

Suprafluidität vun Helium II: Dat Helium krüppt an de Wand vun’t binnere Fatt hooch un füllt dat vun binnen, bit de Füllstand gliek is. Man ok an de Wand vun dat gröttere Fatt krüppt dat hooch un weer utneihn, wenn dat nich slaten weer.

Beschrieven

Opstunns gifft dat blots twee Elementen, bi de dat Phänomen vun de Suprafluidität faststellt worrn is. Dat sünd Helium un Lithium-6. De beiden gaht in den suprafluiden Tostand över, wenn se mit de Temperatur ünner jemehrn so nöömten Lamdapunkt rünnergaht. De Lambdapunkt is de Sprungtemperatur vun de Suprafluidität. Bi ³He liggt se bi ruchweg 2,6 mK, wat al en düchtig deepe Temperatur is, aver lang noch nich so deep as een vun de ultradeepen Temperaturen üm un bi 10^-7 K un deeper, bi de man bi sünnere Gasen in Atomfallen Bose-Einstein-Kondensatschoon beobachten kann. Bi dat ⁴He liggt de Lambdapunkt T_Sf veel höger bi 2,17 K.

In de suprafluiden Phaas gifft dat en poor teemlich ungewöhnliche Phänomenen:

• De Fletigkeit wiest en meist ideale Warmsleddanlaag op dör den Effekt vun’n Tweten Schall.
• Bi’t Dreihn vun de Fletigkeit billt sik as anregte Tostännen quantiseerte mechaansche Warvels – mist as de magneetschen Flaatwarvels in’n Supraleider oder Warvels in de Badewann. Wenn de Warveldicht groot noog is, ordent de sik in en regelmatig hexagonal Gidder an.
• De Springborn-Effekt: Springborns sünd in en Suprafletigkeit nich wedder antohollen.
• Helium-Pegels stellt sik in Naverfatten dör dat Filmkröpen (Rollin-Film) op de glieke Hööch in. Dat warrt as Onnes-Effekt betekent.

Dat suprafluide Helium-4 hett ok den Binaam Helium II, in’n Ünnerscheed to dat normalfletige Helium I

Ansätz to’n Verkloren

Opstunns lett sik de Suparafluidität noch nich vullstännig theoreetsch verkloren. Man, dat gifft en poor Ansätz, woans man de Egenschoppen vun suprafluid Helium tomindst qualitativ beschrieven kann.

Twee-Fluiden-Modell

Dat Twee-Fluiden-Modell to’n Verkloren vun de Suprafluidität geiht torüch op Lew Dawidowitsch Landau. Helium wiest in’t Temperaturrebeet vun 1 K bit to’n Lambdapunkt suprafluide as ok viskose Egenschappen op. Dorüm warrt annahmen, dat sik de Gesamtdicht vun de Fletigkeit ut en normalen Andeel, de lütter warrt, je sieter de Temepratur is, un en suprafluiden Andeel tohopensett. Man, ok in’n suprafluiden Andee laat sik Anregen maken, de as en Viskosität vun’t suprafluide Helium wirken doot. Wenn een t. B. en Körper swemmen lett un den över suprafletig Helium tütt, denn nimmt de bit to en sünnere Grenzsnelligkeit (dat Landau-Kriterium) keen Rieven wohr. Warrt de Snelligkeit aver höger, künnt Rotonen un bi noch högere Snelligkeit ok Phononen anregt warrn, wat op den Körper as’n Rieven wirken deit. Bi’t Utreken kummt een dorbi op en Grenzsnelligkeit vun ruchweg 60 cm/s. Man, in Wohrheit stellt een fast, dat disse Grenzsnelligkeit düütlich ünner 1 cm/s liggt. De Grund dorför is dat Anregen vun quantiseert Warvels in de Suprafletigkeit, de so nöömten Vortizes, de mit dat Anregen vun quantiseerte Krinkströöm in Supraleiders to verglieken sünd. De Vortizes drööft dorbi nich mit de Rotonen dörenanner bröcht warrn, de en makroskoopsch Anregen vun de Suprafletigkeit dorstellt.

Ansatz vun de Quantenmechanik

Suprafluidität lett sik goot in dat Modell vun de Bose-Einstein-Kondensatschoon verstahn. Na dat Modell besett en makroskoopsch Andeel vun all Bosonen den sülven Quantentostand. Dordör künnt all Helium-Deelken, de in dissen Grundtostand kondenseert sünd, dör en eenzige Bülgenfunkschoon beschreven warrn. De suprafluide Phaas is jüst so as de Laser, de Quanten-Hall-Effekt un de supraleiden Phaas en makroskoopsch Quantentostand. As kritische Temperatur för den Phaaswessel to dat suprafluide Helium kriggt man dorbi 3,1 K, wat wualitativ stimmt, aver doch düütlich höger is as de meten 2,17 K. Butendem sünd bi T=0 K blots 8 % vun de Atomen invn Grundtostand un nich 100 %, as dat de Bose-Einstein-Theorie seggt. De Grund för’t Afwieken is de atomar Wesselwirken vun de He-Atomen, de in’t Bose-Einstein-Modell op Null sett warrt. In’n Gegendeel dorto is bi de Bose-Einstein-Kondensatschoon vun Rubidium- un Natrium-Gasen in Atomfallen de Wesselwirken vun de bedeeligten Atomen wohrhaftig so lütt, dat een dat vergeten kann.

För He-Fletigkeiten gellt also dat Modell vun de Bose-Einstein-Kondensatschoon blots qualitativ, man för de nöömten Gasen ok quantitativ.

De Bose-Einstein-Kondensatschoon steiht nich in’n Gegensatz to dat Twee-Fluiden-Modell. De Andeel vun de Deelken, de in’n Grundtostand kondenseert is, hangt af vun de Temperatur. Ünner en kritische Temperatur – den Lambdapunkt bi ⁴He – besett jümmer mehr Deelken den Grundtostand, je lütter de Temperatur is. Dorbi kann de kondenseerte Andeel as suprafluid Helium sehn warrn, wiel de restlichen Deelken normalfletig Helium is.

In’n Gegensatz to de bosonischen ⁴He-Atomen, hannelt sik dat bi’t in de Natur teemlich wenig vörkamen ³He üm Fermionen, för de de Bose-Einstein-Statistik nich gellt, man de Fermi-Dirac-Statistik. För de ³He-Atomen kann dat Bose-Einstein-Modell dorüm nich anwennt warrn. Liekers warrt Suprafluidität ok bi ³He beobacht. Aver ok dat is keen Gegensatz, wenn bi de suprafluide Phaas nich vun isoleerte Atomen utgahn warrt, man Aneenannerkoppeln vun twee Atomen. Denn kriggt man jüst so as bi’t Cooper-Poor-Billn bi de Elektronen-Supraleiden in dissen Fall bosonische ³He-Poren mit den Spin 1. Dat de Koppeln so düchtig swack is, verklort ok, dat de Sprungtemperatur ruchweg 1000-mol sieter liggt as bi’t ⁴He. Twee ³He-Atomen künnt dorbi en energeetsch ’n beten wat sieteren un dorüm wohrschienlicheren Tostand innehmen, wenn sik jemehr magneetschen Karnmomenten (Karnspin) gliek (magneetsch Tostand) oder towedder (nichmagneetsch Tostand) richten doot.

Technisch Anwennen

In de Physik un in de Chemie warrt suprafletig ⁴He in de Spektroskopie insett. De Proov warrt in en Kryostaten vun fletig Helium ümspöölt. dör Afpumpen vun’t gasförmige Helium warrt de Temperatur ünner den Lambdapunkt bröcht un dat Helium warrt suprafluid. De Temperatur is vun’n Druck afhangig un kann in de Praxis dör ünnerscheedlich lang Pumpen twüschen 1,1 un 2,1 K instellt warrn.

En düütlich opwännigere Technik warrt as Superfluid Helium Droplet Spectroscopy (SHeDS) oder Helium Nano Droplet Isolation (HeNDI) Spektroskopie betekent. De dorför bruukten Heliumdruppens warrt in en adiabaatsche Expanschoon vun Helium in en Vakuumapparat produzeert un hebbt en Temperatur vun blots 370 mK. Molekülen oder Clusters, de in suprafletig Helium löst sünd, künnt faktisch free roteeren, so as wenn se sik in en Vakuum ophollen deen.

Weblenken

• „Wirbel demonstrieren anschaulich die Suprafluidität des Lithiums“ 6. Juli 2005 op Telepolis