ソフトドリンクが自然に縁から溢れたり、飲もうとしているストローから飛び出してしまうことを心配する必要はないでしょう。
研究者は何十年も前から、液体ヘリウムをその沸点である華氏-452度(摂氏-269度)より数度だけ低く冷やすと、他の流体ができないことを突然できるようになることを知っていました。
もはや単なる液体ではなく、ヘリウムは超流体-摩擦なしに流れる液体-になったのです。 エドモントンにあるアルバータ大学の実験物理学者、ジョン・ビーミッシュは、「液体が循環しているカップをセットして、10分後に戻ってくると、当然ながら動きが止まっています」と言う。 液体中の原子が互いに衝突して速度が落ちるのです。 「しかし、低温のヘリウムでそれを行い、100万年後に戻ってきたら、まだ動いていることでしょう」と彼は言います。
他の多くの物理学の実験と同様に、超流動は量子力学の直感に反する法則から生まれています。
ヘリウムの奇妙な振る舞いの初期の兆候は、1911年にオランダの物理学者で1913年のノーベル物理学賞受賞者のハイケ・カメルリン・オンネスによって観察されました。 オンネスは、ヘリウム(厳密にはヘリウム4の同位体)が、ラムダ点として知られる-455.67度F(-270.92度C)以下で容易に熱を伝え始めることを発見した。
ロシアの物理学者Pyotr Kapitsaとイギリスの2人組、John AllenとDon Misenerは、それぞれプランジャーに取り付けられた2枚のガラスディスクと長く細いガラス管を通してその温度以下のヘリウムの流速を測定するまで、その機会はありませんでした。 この粘性は非常に低く、この研究でノーベル賞を受賞したカピツァは、「超伝導体」(非常に大きな電流を抵抗なく伝えられる物質)にちなんで、「超流動」という造語を作った。 ほとんどの液体を冷やすと、液体中の原子間のわずかな引力が熱振動に打ち勝つようになり、粒子は規則正しい秩序に落ち着く、すなわち固体になる。 しかし、ヘリウム原子は非常に軽く、互いに引き合う力も弱いため、通常の原子運動が静まっても、量子力学の不確定性原理によってわずかな運動量を与えられたゼロ点運動で、原子が揺れ動く。 ヘリウムは低温で流動性があるため、ボーズ-アインシュタイン凝縮と呼ばれる変化を起こすことができ、個々の粒子が重なり合って、1つの大きな粒子のように振舞うようになります。 原子が一体となって作用しても、個々の原子のように振る舞うことはない。 ユニヴァーシティ・パークにあるペンシルヴァニア州立大学で超流動について研究しているモーゼス・チャンは、「一体となって行進すれば、互いに衝突することはありません」と言う。 さまざまな実験によって、この2つの流体の対照的な性質が浮き彫りにされます。 最も単純な「実験」は、液体ヘリウムで満たされた容器がラムダ点以下に冷却されると、突然漏れが生じ、摩擦のない超流動画分が通常の液体画分が入ることのできない微小な隙間から流れ出すのを見ることである。 (この「スーパーリーク」は、液体ヘリウムを扱う科学者にとって、昔から悩みの種だったとビーミッシュは言う。) しかし、同じヘリウムをコーヒーのようにかき混ぜると、通常の液体はその動きに抵抗し、結局は超流動混合物に粘性を与える。
温度が下がると、超流動分子が混合物の中でより大きな割合を占めるようになる。 この分野の標準的な実験では、円筒形の金属容器に試料を入れ、ワイヤーで吊るして、2つの割合の変化を測定する。 針金にひねりを加えると、円筒は一方に回転し、もう一方にも回転する。 しかし、円筒の壁との摩擦で回転するのは通常の流体だけで、超流体部分は通常の流体を貫いて静止している。 超流動流体の割合が増えると、シリンダーは重量を失うかのように速く回転します(厳密には慣性)。
超流動ヘリウムの2つの性質は、容器の壁を登るときにも働きます。 (どんな液体でも、皿の側面を覆います。これも原子間のわずかな引力のおかげですが、液体の内部摩擦によって、覆いがどこまで広がるかは制限されています。 しかし、超流動ヘリウムでは、摩擦のない膜が容器全体を覆って、超流動体が流れることのできる一種のアリーナを作り出す。
同じ原理で、底に微粉末を詰めた開放型の加熱ガラス管から超流動体が急速に噴出する有名な実験もあります。 この現象は「超流動の噴水」と呼ばれ、管の外側にある超流動が、管の内側で温められた超流動を冷却するために噴出するのです。 (超流動の共同発見者であるアレンは、ポケットの懐中電灯を液体ヘリウムの入ったガラス管に当てて、この効果を発見したと言われています)
超流動ヘリウムの研究は、すでに3つのノーベル賞を受賞していますが、さらに多くの賞を受賞する可能性を秘めています。 2004年、ペンシルバニア州立大学のチャン教授とキム・ウンソン教授は、26気圧の圧力で固体ヘリウムのリングを回転させ、ヘリウムを臨界温度以下に冷却すると、液体ヘリウムの場合と同じように回転周波数が増加することを発見しました。 超固体」効果を研究しているのは、ビーミッシュ教授を含む半ダースの研究室ですが、研究者たちは、固体のどの要素が単一のボーズ-アインシュタイン状態に凝縮するのか、まだよくわかっていません。
現在の課題は、超固体が、超流出や他のよく知られた超効果と同等のものを生み出すことができるかどうかということです。 「他のユニークな特性が説得力を持って示されるなら、それが物質の新しい相であることに誰もが同意するでしょう」と、ビーミッシュは言う。

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