超流体

提示：此条目页的主题不是超临界流体或超临界流。

超流体是一种物质状态，特点是完全缺乏黏性。如果将超流体放置于环状的容器中，由于没有摩擦力，它可以永无止尽地流动。它能以零阻力通过微管，甚至能从碗中向上“滴”出而逃逸。超流体是被彼得·卡皮查、约翰·艾伦和冬·麦色纳在1937年发现的。有关超流体的研究被称为量子流体力学。氦-4的超流体现象理论是列夫·朗道创造的，而尼古拉·博戈柳博夫是第一个建议使用微扰理论者。

处于超流相的液氦，会在杯身内面向上缓慢攀爬，攀越过杯口，然后在杯身外面向下缓慢滑落，集结在一起，形成一滴液氦珠，最后滴落在下面的液氦里。这样，液氦会一滴一滴的滴落，直到杯子完全流空为止。

原理

当量子液体温度低于某临界转变温度会变为超流体。比如氦最丰富的同位素，氦-4，在低于2.17 K（−270.98°C）时便会变成超流体。氦-4形成超流态的相变称为Lambda相变（Lambda transition），因它的比热容对温度曲线形状如同希腊字母“λ”一样。凝聚体物理学中一些相近的相变亦因而叫作Lambda相变。氦较贫乏的另一种同位素，氦-3，在更低的2.6 mK成为超流体。这个温度只是比绝对零度高几个毫开尔文。

虽然这两个系统的超流体表征很相似，但其本质却相差甚远。氦-4是玻色子，其超流性质可以用玻色-爱因斯坦统计解释。可是，氦-3是费米子，其超流性必须用到描述超导体的BCS理论之推广才可了解。其中，原子代替了电子形成库柏对（Cooper pair），而它们的吸引作用力调控机制由自旋波动（Spin fluctuation）代替了声子。详情请参看费米凝聚。超流体和超导体的统一理论可以以规范对称破缺（Gauge symmetry breaking）表达。

超流体，如超冷冻的氦-4，有很多稀奇的性质。它就像一般液体加上超流体的特有的性质，如全无粘性、零熵度，和无限大的热传导率。（故此在超流体中出现温差是不可能的，就如超导体内没有电势差一样。）其中最令人叹为观止的是“热机效应”（Thermomechanical effect），或称“喷泉效应”（Fountain effect）。如一纤细管放在一池超流氦之中，而纤细管被加热（如对它照光），氦便会爬上管顶。这是克劳修斯-克拉佩龙方程的结果。另一样奇特现象是超流氦可以在任何被它放置的容器表面上形成一层单原子厚度的液体薄膜。

一个比零粘性更为基本的性质是超流体在旋转的容器中会有量子化的涡度^[1]，而不会随容器均匀转动。

应用

超流体其中一个重要的应用是稀释致冷机（Dilution refrigerator）。

近期超流氦-4已成功用作化学领域光谱分析技术的量子溶剂。在超流氦滴光谱分析（SHeDS）中，单个分子溶于超流介质之中，使之有有效的旋转自由度，如同在气态之中。这引起了对气体分子研究的极大兴趣。

超流体亦用于高精度仪器，如陀螺仪。它可以量度一些理论预测的引力效应。详情可参看-引力探测器B。

学术应用

超流体真空理论（Superfluid vacuum theory或略作SVT）是一套理论物理和量子力学的理论，自然真空被视作超流体。这套理论的终极目标是建立用以统合量子力学（描述已知的四种基本相互作用的其中三种）与引力的科学模型。这使SVT成为量子引力的一种候选理论以及标准模型的一种扩展。人们希望这套理论的发展可以将所有基本相互作用统一到单个自洽的模型中，并且将所有已知的相互作用和基本粒子表述为同一种存在即超流体的不同表像。

也有科学家提议把超流态和超导态运用在描述中子星的内部结构。

近期的发现

麻省理工学院的物理学家最近^[何时？]在剑桥发现一种新物质态：超流气体。这种物质是50 nK的锂-6。

此外，于2004年宾州州立大学的物理学家亦发现了超固体。当氦-4在高压冷冻到2 K以下，超流体便相变成超固体。它亦可以零粘度流动。^[2]

双原子分子氢（H₂）亦有超固态。

相关书籍

• 《超流体》/（美）沈星扬著（1982）. - 北京：科学出版社
• Mendelssohn, Kurt Alfred Georg (1966). The Quest for Absolute Zero: The Meaning of Low Temperature Physics. New York: World University Library. McGraw-Hill.
• Hagen Kleinert, Gauge Fields in Condensed Matter, Vol. I, "SUPERFLOW AND VORTEX LINES", pp. 1–742, World Scientific（Singapore, 1989）; Paperback ISBN 9971-5-0210-0 （also available online here （页面存档备份，存于互联网档案馆））

另见

• 超固体
• 玻色-爱因斯坦凝聚
• 超抗磁性
• 慢光

参考文献

1. Thuneberg, E.（2003年8月）Superfluidity and Quantized Vortices.在2007年5月24日于http://ltl.tkk.fi/research/theory/vortex.html （页面存档备份，存于互联网档案馆） 取得。
2. Chan, M.（2006年1月）Supersolid Helium在2007年5月24日于存档副本. [2016-02-05]. （原始内容存档于2013-04-08）. 取得

外部链接

• Superfluid phases of helium （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• https://web.archive.org/web/20060313075351/http://www.aip.org/png/html/helium3.htm
• https://web.archive.org/web/20060408121158/http://www.aip.org/pt/vol-54/iss-2/p31.html
• http://web.mit.edu/newsoffice/2005/matter.html （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• http://physicsweb.org/articles/world/11/6/3/1 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Superfluidity makes headlines once again （页面存档备份，存于互联网档案馆）（includes image）
• 超流体的发现 （页面存档备份，存于互联网档案馆）