Supraflüssigkeit

Supraflüssigkeit, auch Superflüssigkeit, Zustand der Materie, gekennzeichnet durch das völlige Fehlen der Viskosität, die dem Strömen einen Widerstand entgegensetzt. Der Begriff Supraflüssigkeit bezieht sich vor allem auf die Erscheinungen, die zuerst an flüssigem Helium bei sehr tiefen Temperaturen beobachtet wurden. In Analogie zum supraflüssigen Zustand spricht man vom supraleitenden Zustand, wenn man den reibungsfreien Fluss von Elektronen in bestimmten Metallen oder Legierungen bei sehr tiefen Temperaturen betrachtet.

Siehe auch Tiefsttemperaturtechnik; Supraleitung

Entdeckt wurde das Phänomen der Supraflüssigkeit 1937 von dem russischen Physiker Pjotr Kapiza. Flüssiges Helium 4 (⁴He) ist nach der Abkühlung auf unter 2,18 K (-270,98 °C) fähig, ohne Widerstand durch extrem kleine Öffnungen zu fließen – ein Phänomen, das bei höheren Temperaturen nicht auftritt. Außerdem bildet supraflüssiges Helium auf den Behälterwänden einen dünnen, ungefähr 100 Atomdurchmesser starken Film. Dieser fließt entgegen der Schwerkraft nach oben und über die Behälterkante hinaus. Die Temperatur, bei der der supraflüssige Zustand einsetzt (2,18 K bei Helium 4), nennt man Lambda-Punkt (nach dem griechischen Buchstaben λ), weil die graphische Auftragung des Drucks von flüssigem Helium gegen die Temperatur hier ein Maximum aufweist, das die Form des griechischen Buchstabens λ hat.

Unter Normaldruck wird Helium bei 4,2 K flüssig. Zwischen dieser Temperatur und der des Lambda-Punktes verhält es sich wie eine normale Flüssigkeit. Unterhalb des Lambda-Punktes scheint die Supraflüssigkeit aus zwei Komponenten zu bestehen. 1939 entwickelte L. Tizla (und unabhängig von ihm 1940 D. L. Landau) das Zweiflüssigkeitenmodell für den Zustand von Helium 4 unterhalb des Lambda-Punktes. Nach diesem Modell besteht die Supraflüssigkeit aus Helium II (supraflüssige Komponente) und Helium I (normale Komponente). Außer der Suprafluidität hat das Helium II auch andere ungewöhnliche Eigenschaften, wie z. B. eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit (etwa drei Millionen mal höher als die des Helium I). Supraflüssiges Helium (Helium II) fließt spontan von einer kühleren Zone in eine mit höherer Temperatur. Das Helium I fließt in die entgegengesetzte Richtung. Wenn ein Fluss von supraflüssigem Helium erzwungen wird, treten außerdem spontan Temperaturdifferenzen in der Flüssigkeit auf.

Der Anteil der suprafluiden Komponente steigt an, wenn die Temperatur zum absoluten Temperaturnullpunkt hin absinkt. Diese Teilchen befinden sich praktisch sehr nahe am tiefstmöglichen Energieniveau (im Grundzustand) und besitzen daher so gut wie keine thermische Energie. Das Fehlen jeglicher Reibung zwischen ihnen kann dadurch gedeutet werden, dass sie nicht mit anderen Atomen unter Impulsübertragung wechselwirken. Um diese supraflüssigen Atome aus dem tiefen Energieniveau in höhere Energieniveaus anzuheben, ist eine gewisse Energie nötig. Das Fehlen der thermischen Energie in den supraflüssigen Atomen erklärt auch die ungewöhnlichen thermischen Eigenschaften. Die hohe Wärmeleitfähigkeit des Helium II ist die Folge des Flusses von Helium-I-Teilchen, die Wärmeenergie in die Zone tieferer Temperatur transportieren. Das stabile Isotop Helium 3 kann ebenfalls supraflüssig sein, aber nur bei Temperaturen unterhalb von 2,6 mK (Milli-Kelvin: tausendstel Kelvin). Diese Entdeckung machten die drei amerikanischen Physiker David Lee, Douglas Osheroff und Robert Richardson bereits in den siebziger Jahren. Dafür erhielten sie im Oktober 1996 den Nobelpreis für Physik.