Was ist suprafluidität?

Suprafluidität

Suprafluidität ist ein physikalischer Zustand der Materie, der bei extrem tiefen Temperaturen auftritt und sich durch das Fehlen von Viskosität auszeichnet. Das bedeutet, dass eine suprafluide Substanz ohne Reibung fließen kann, selbst gegen die Schwerkraft. Dieses Phänomen wurde erstmals 1937 von Pjotr Leonidowitsch Kapiza, John F. Allen und Don Misener im flüssigen Helium-4 entdeckt, als es unter seine Lambda-Temperatur von 2,17 K abgekühlt wurde.

Eigenschaften der Suprafluidität

• Viskositätsfreiheit: Das markanteste Merkmal der Suprafluidität ist das Fehlen von Viskosität. Eine suprafluide Flüssigkeit kann reibungslos durch kleinste Kapillaren fließen oder an den Wänden eines Behälters hochkriechen. Das wird auch als Superkriechen bezeichnet.

• Supraleitung der Wärme: Suprafluide besitzen eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit. Wird ein Bereich eines Suprafluids erwärmt, verteilt sich die Wärme nahezu augenblicklich.

• Quantenmechanischer Effekt: Suprafluidität ist ein makroskopischer Quanteneffekt, der auf der Bose-Einstein-Kondensation beruht. Bei extrem tiefen Temperaturen kondensieren ein signifikanter Anteil der Atome in den niedrigsten Quantenzustand, wodurch die quantenmechanischen Eigenschaften auf makroskopischer Ebene sichtbar werden. Für Helium-4 tritt dieses Phänomen auf, da es ein Boson ist.

• Springbrunneneffekt: Der Springbrunneneffekt tritt auf, wenn zwei Behälter mit suprafluidem Helium durch eine feine Kapillare verbunden sind und einer der Behälter erwärmt wird. Das Suprafluid fließt dann aus dem kälteren in den wärmeren Behälter, bis ein deutlicher Höhenunterschied zwischen den Flüssigkeitsspiegeln entsteht.

• Rotation: In einem rotierenden suprafluiden Behälter bildet die Flüssigkeit Quantenwirbel, d.h. diskrete Wirbel mit quantisierter Zirkulation.

Auftreten

• Helium: Helium-4 und Helium-3 können unter bestimmten Bedingungen suprafluid werden. Helium-4 wird bei 2,17 K suprafluid, während Helium-3 bei noch tieferen Temperaturen (im Millikelvin-Bereich) Suprafluidität zeigt. Helium-3 benötigt eine Paarbildung von Atomen, um ein "Cooper-Paar" zu bilden, ähnlich wie bei der Supraleitung.

• Andere Systeme: Neben Helium wurden Hinweise auf Suprafluidität auch in anderen Systemen gefunden, wie z.B. in bestimmten bosonischen Kondensaten und möglicherweise in Neutronensternen.

Anwendungen

Obwohl die extrem tiefen Temperaturen die praktische Anwendung von Suprafluidität einschränken, gibt es dennoch einige potenzielle Anwendungsbereiche:

• Präzisionsmessungen: Suprafluide werden in hochpräzisen Experimenten eingesetzt, z.B. zur Messung der Erdrotation oder zur Suche nach dunkler Materie.

• Supraleitende Geräte: Die Eigenschaften von Suprafluiden können in zukünftigen supraleitenden Geräten genutzt werden.

• Grundlagenforschung: Die Suprafluidität ist ein wichtiges Forschungsgebiet, das unser Verständnis der Quantenmechanik und der Physik der kondensierten Materie erweitert.