Superfluidität

Superfluidität bezeichnet den Zustand bestimmter Fluide, in dem der Fluss nahezu ohne Reibung möglich ist. Typischerweise tritt sie bei extrem niedrigen Temperaturen auf, wie bei Helium-4 unterhalb der Lambda-Temperatur von etwa 2,17 Kelvin. In diesem Zustand zeigen Fluide eine extrem geringe Viskosität und können Strömungen lange Zeit ohne Energieverlust aufrechterhalten.

Am häufigsten untersucht wird Helium-4, ein Boson, das bei sinkender Temperatur in einen makroskopisch kondensierten Zustand übergeht. Helium-3, ein Fermion, wird ebenfalls superfluid, aber erst bei Milli-Kelvin-Temperaturen durch Paarbildung in verschiedenen Superfluidphasen. Die Übergänge werden durch charakteristische Strukturänderungen der Flüssigkeit begleitet, z. B. den Lambda-Punkt bei Helium-4.

Theoretisch lässt sich Superfluidität durch das Zwei-Komponenten-Modell von Landau und Tisza beschreiben: Eine superfluide Komponente rho_s und eine normale Komponente rho_n, deren Summe die Gesamtdichte rho ergibt. Die Superfluidität ermöglicht reibungsfreien Fluss, während die normale Komponente viskös bleibt. Wesentliche Phänomene sind der sogenannte zweite Schall (eine Temperaturwelle) neben dem normalen Druck-/Dichte-Schall sowie die Bildung von vortexartigen, quantisierten Wirbeln bei Rotation. Die zirkulierende Strömung eines Rotationsfeldes erzeugt ein regelmäßiges Wirbelgitter mit Zirkulationen in Einheiten von h/m.

Experimentell wird Superfluidität durch Torsionsoszillatoren, Kapillar- bzw. Porenströme, der Funtain-Effekt (thermische Mechanik) und Nachweise quantisierter Wirbel untersucht. Die mikroskopische Ursache ist oft ein makroskopisches Quantenkohärenzphänomen, das mit einem kollektiven Wellenfunktionszustand verbunden ist; bei Helium-4 entspricht dies dem Bose-Einstein-Kondensat, bei Helium-3 der Paarung von Fermionen.