超流动性(superfluidity)是指
超流相
液态氦在低
速度下
无阻、无损耗地流过极细的
毛细管或
狭缝的性质。液态氦在
饱和蒸气压下,
温度降低到2.172 K(λ点)时发生
相变,从普通的
黏滞液体相(氦Ⅰ)变到超流相,又称为氦Ⅱ相。氦Ⅱ相有很多在普通液体中
观察不到的现象,超流动性是其最具
特征的基本性质。
1911年,H·
昂尼斯成功地液化了
氦气后,发现了
超导现象。以后在极低温度下陆续发现了一些现象,吸引了许多科学家的注意,前苏联科学家P·
卡皮查是在这方面有卓越功绩的
科学家之一。1934年,他从
英国回到前苏联,
前苏联政府为他新建了莫斯科物理问题研究所,并从英国购买了所使用的全部
仪器,使他能继续从事研究工作。1938年,他发现液氦在温度从4K下降到2K时,突然出现一个从未见过的现象。这时
液氦能从盖得很严的瓶子里逃逸出来,并从很细的毛细管或
狭缝(两块经光学抛光的玻璃压在一起形成的10-5—10-4厘米的狭缝)中迅速流过,
粘滞系数近似于零。卡皮查把这种现象叫做
超流动性,把处于这种状态的液氦称作
氦Ⅱ,普通的液氦叫氦Ⅰ。英国
物理学家J·
艾伦和A·
迈斯纳几乎同时也发现了这一现象,其
论文和卡皮查的结果发表在同一期的英国《
自然》杂志上。为了表彰卡皮查在
超流动性研究中的卓越功绩,1978年荣获
诺贝尔物理奖。
超流动性
唯象地可用L.
朗道的
二流体模型解释。
模型认为,
氦Ⅱ由相互独立又相互渗透的两种流体组成:性质与普通
黏滞流体相同的正常
流体和
熵为零、无
黏滞性的超流体。
超流动性是超流体部分的表现。更深刻的解释是,超流动性与氦(4He)
原子是
玻色子以及低温下发生
玻色-爱因斯坦凝聚有关。
许多著名的
物理学家如F.
伦敦、L.
朗道、R.费曼等都在超流理论方面做出了重要的贡献。4He原子是玻色子,
玻色-爱因斯坦统计允许很多
原子同时处于一个
量子态上。当温度降至λ点以下时,有
宏观数量的
氦原子同时凝聚在
动量为零的单一量子态上,用一个宏观
波函数来描述。温度在λ点以下的
超流动性及其他特异现象都可用这种宏观波函数的
特性来
解释。
在
超导体中,当温度低于
临界温度时,一部分电子也进入无阻尼
流动的状态。虽然电子是费米子,但这部分电子已不再单个地运动。当温度低于转变点时,它们结成库珀对,这些
电子对是玻色子,可以大量地聚集在同一个量子态上。温度低于约2×10-3K时,液态3He也呈现超流态,这也是由于部分3He原子进入成对运动的状态,产生
玻色-爱因斯坦凝聚所造成的。