Du behøver ikke at bekymre dig om, at en sodavand spontant løber ud over kanten eller skyder op og ud af det sugerør, som du forsøger at drikke af. Det skyldes, at sodavand slet ikke ligner det superflydende helium, der vises i denne video.
Forskere har i årtier vidst, at hvis man afkøler flydende helium blot nogle få grader under dets kogepunkt på -452 grader Fahrenheit (-269 grader Celsius), vil det pludselig være i stand til at gøre ting, som andre væsker ikke kan, som at dryppe gennem molekyletynde revner, kravle op og over siderne på en skål og forblive ubevægelig, når beholderen drejes.
Helium er ikke længere blot en væske, men er blevet en superfluid – en væske, der flyder uden friktion. “Hvis du stiller en kop med en væske, der cirkulerer rundt, og du kommer tilbage 10 minutter senere, er den selvfølgelig holdt op med at bevæge sig,” siger John Beamish, der er eksperimentalfysiker ved University of Alberta i Edmonton. Atomerne i væsken vil kollidere med hinanden og blive langsommere. “Men hvis man gjorde det med helium ved lav temperatur og kom tilbage en million år senere,” siger han, “ville det stadig bevæge sig.”
Som mange andre fysikeksperimenter, der får en til at sige “hva’?”-superfluiditet er et resultat af kvantemekanikkens kontraintuitive regler. Men i modsætning til andre kvantemekaniske ting er superfluid heliums mærkelige opførsel synlig for det blotte øje.
Et tidligt tegn på heliums mærkelige opførsel blev observeret tilbage i 1911 af den hollandske fysiker og nobelpristager i fysik fra 1913 Heike Kamerlingh Onnes, en mester i køling, som var den første til at gøre helium flydende. Onnes fandt ud af, at helium (teknisk set helium 4-isotopen) begyndte at lede varme let under -455,67 grader F (-270,92 grader C), også kendt som lambda-punktet.
Det var først i 1938, at den russiske fysiker Pjotr Kapitsa og uafhængigt af hinanden den britiske duo John Allen og Don Misener målte heliums strømningshastighed under denne temperatur gennem et par glasskiver, der var fastgjort til henholdsvis et stempel og et langt, tyndt glasrør. Viskositeten var så lav, at Kapitsa, som fik sin egen Nobelpris for arbejdet, opfandt udtrykket “superfluid” til at beskrive det – efter “superleder”, som er betegnelsen for et materiale, der leder meget høje elektriske strømme uden modstand.
Nøglen til effekten er heliums unikke evne til at forblive flydende ned til det absolutte nulpunkt (-459,67 grader F, eller -273,15 grader C), den temperatur, hvor atomerne teoretisk set holder op med at bevæge sig. Når de fleste væsker afkøles, begynder den svage tiltrækning mellem atomerne i væsken til sidst at overvinde varmevibrationerne, og partiklerne sætter sig fast i en regelmæssig orden, nemlig et fast stof. Men heliumatomer er så lette og svagt tiltrukket af hinanden, at selv når de almindelige atombevægelser er stilnet af, så rykker atomerne med nulpunktsbevægelse, en svag impuls, der skyldes kvanteusikkerhedsprincippet. Derfor sætter de sig aldrig fast i fast tilstand.
Heliums likviditet ved lave temperaturer gør det muligt for det at foretage en transformation kaldet Bose-Einstein-kondensation, hvor de enkelte partikler overlapper hinanden, indtil de opfører sig som én stor partikel. Atomer, der handler i fællesskab, opfører sig ikke som individuelle atomer. “Hvis man marcherer i fællesskab, kolliderer man ikke med hinanden,” siger Moses Chan, der studerer superfluiditet ved Pennsylvania State University i University Park.
Forskerne kan godt lide at tænke på superfluid helium som en blanding af to væsker, en normal og en superfluid. Forskellige eksperimenter fremhæver de kontrasterende karakterer af de to fraktioner. Det enkleste “eksperiment” er at se, hvordan en beholder fyldt med flydende helium pludselig bliver utæt, når den afkøles til under lambdapunktet, og den gnidningsløse superfluidfraktion begynder at strømme ud gennem mikroskopiske revner, som den normale væskefraktion ikke kan komme ind i. (“Superlækager” har været en plage for forskere, der har arbejdet med flydende helium siden de tidlige dage, siger Beamish). Men hvis man rører i det samme helium som i kaffe, vil den normale flydende fraktion modstå bevægelsen, idet den trods alt giver den superfluide blanding viskositet.
Når temperaturen falder, optager den superfluide fraktion en større andel af blandingen. I feltets guldstandardforsøg måler forskerne forholdet mellem de to fraktioner ved at placere en prøve i en cylinderformet metalbeholder, der hænger i en wire. Når de giver tråden et vrid, vil cylinderen rotere den ene vej og derefter den anden vej. Men kun den normale fraktion vil rotere med cylinderen på grund af friktionen mellem den og cylindervæggene; den superfluide del skærer lige igennem den normale væske og står stille. Efterhånden som den superfluide fraktion øges, roterer cylinderen hurtigere, som om cylinderen mister vægt (teknisk set er det inerti).
Den superfluide heliums dobbelte natur er på spil igen, når den klatrer op ad væggene i en beholder. (Se denne YouTube-video af effekten.) Enhver væske vil belægge siderne af en skål, som den sidder i – igen takket være den svage tiltrækning mellem atomerne – men væskens indre friktion begrænser, hvor langt belægningen kan sprede sig. I superfluid helium glider den gnidningsløse film hen over hele beholderen og skaber en slags arena, som superfluidet kan flyde igennem. Hvis væsken har et sted at falde hen, efter at den er kravlet ud af skålen, vil den dryppe fra bunden af beholderen, indtil den suger al den superfluid ud, der er samlet over den.
Det samme princip ligger til grund for en anden berømt demonstration, hvor superfluid hurtigt skyder ud af et åbent, opvarmet glasrør, der er pakket med fint pulver i bunden. Den kaldes superfluidfontænen og opstår, fordi superfluid uden for røret skyller ind for at afkøle den superfluid, der er blevet varmet op af rørets indre. (Allen, medopdageren af superfluiditet, siges at have opdaget effekten, efter at han lyste med en lommelygte på et glasrør med flydende helium.)
Arbejdet med superfluid helium har allerede indbragt tre nobelpriser og kan måske endnu få flere. I 2004 roterede Penn State-forskerne Chan og Eun-Seong Kim en ring fuld af fast helium ved et tryk på 26 atmosfærer og fandt ud af, at når de afkølede heliumet til under den kritiske temperatur, steg rotationsfrekvensen, ligesom den gør med flydende helium. Et halvt dusin laboratorier, herunder Beamishs, studerer “supersolid”-effekten, men forskerne er stadig ikke sikre på, hvilke elementer i det faste stof der ville kondensere til en enkelt Bose-Einstein-tilstand.
Det gælder nu om at se, om det superfaste stof kan frembringe det, der svarer til superlækager eller andre velkendte supereffekter. “Hvis andre unikke egenskaber kan påvises på overbevisende vis”, siger Beamish, “vil alle være enige om, at der er tale om en ny fase af stof.”
