超流動性

超流動性（superfluidity）是指超流相液態氦在低速度下無阻、無損耗地流過極細的毛細管或狹縫的性質。液態氦在飽和蒸氣壓下，溫度降低到2.172 K（λ點）時發生相變，從普通的黏滯液體相（氦Ⅰ）變到超流相，又稱為氦Ⅱ相。氦Ⅱ相有很多在普通液體中觀察不到的現象，超流動性是其最具特徵的基本性質。

若將液態⁴He沿飽和蒸氣壓線下降到 2.172K（見液態氦），液氦的物理性質立即發生很大變化。當溫度低於λ點時，液氦可以在低速度下毫無阻尼地流過很細的毛細管。毛細管的孔徑可以小到只有10^－8米，就是連氣態的氦這時也無法通過。這種沒有阻尼的流動就稱為超流動性。伴隨超流的產生，同時還發生了很多其他在普通液體中觀察不到的現象。

基本介紹

• 中文名：超流動性
• 外文名：superfluidity
• 屬性：流動
• 超流相：液態氦在低速度下無阻的性質
• 發現者：P.卡皮查

發現

1911年，H·昂尼斯成功地液化了氦氣後，發現了超導現象。以後在極低溫度下陸續發現了一些現象，吸引了許多科學家的注意，前蘇聯科學家P·卡皮查是在這方面有卓越功績的科學家之一。1934年，他從英國回到前蘇聯，前蘇聯政府為他新建了莫斯科物理問題研究所，並從英國購買了所使用的全部儀器，使他能繼續從事研究工作。1938年，他發現液氦在溫度從4K下降到2K時，突然出現一個從未見過的現象。這時液氦能從蓋得很嚴的瓶子裡逃逸出來，並從很細的毛細管或狹縫（兩塊經光學拋光的玻璃壓在一起形成的10^－5—10^－4厘米的狹縫）中迅速流過，粘滯係數近似於零。卡皮查把這種現象叫做超流動性，把處於這種狀態的液氦稱作氦Ⅱ，普通的液氦叫氦Ⅰ。英國物理學家J·艾倫和A·邁斯納幾乎同時也發現了這一現象，其論文和卡皮查的結果發表在同一期的英國《自然》雜誌上。為了表彰卡皮查在超流動性研究中的卓越功績，1978年榮獲諾貝爾物理獎。

卡皮察的實驗表明，當氦Ⅱ流過間隙小於10^－5厘米的狹縫時，黏度小於10^－11泊，至少比液體氦（He）小1,500倍，比黏度最低的氫氣還要低10⁴倍以上。卡皮察認為，這一結果意味著液態氦進入到一特別的狀態，類比於超導體，建議稱為超流態。

理論詮釋

超流動性唯象地可用L.朗道的二流體模型解釋。模型認為，氦Ⅱ由相互獨立又相互滲透的兩種流體組成：性質與普通黏滯流體相同的正常流體和熵為零、無黏滯性的超流體。超流動性是超流體部分的表現。更深刻的解釋是，超流動性與氦（⁴He）原子是玻色子以及低溫下發生玻色-愛因斯坦凝聚有關。

超流³He中的³He原子和超導體中的電子也可處在無阻的超流狀態。雖然³He原子和電子都是費米子，但在超流或超導態中兩兩配對，常稱為庫珀對（見超導電性）。

許多著名的物理學家如F.倫敦、L.朗道、R.費曼等都在超流理論方面做出了重要的貢獻。⁴He原子是玻色子，玻色-愛因斯坦統計允許很多原子同時處於一個量子態上。當溫度降至λ點以下時，有巨觀數量的氦原子同時凝聚在動量為零的單一量子態上，用一個巨觀波函式來描述。溫度在λ點以下的超流動性及其他特異現象都可用這種巨觀波函式的特性來解釋。

在超導體中，當溫度低於臨界溫度時，一部分電子也進入無阻尼流動的狀態。雖然電子是費米子，但這部分電子已不再單個地運動。當溫度低於轉變點時，它們結成庫珀對，這些電子對是玻色子，可以大量地聚集在同一個量子態上。溫度低於約2×10^－3K時，液態³He也呈現超流態，這也是由於部分³He原子進入成對運動的狀態，產生玻色-愛因斯坦凝聚所造成的。