Du behöver inte oroa dig för att en läskedryck spontant ska svämma över eller att den ska skjuta upp och ut ur sugröret som du försöker dricka ur. Det beror på att läskedrycker inte alls liknar det superflytande helium som visas i den här videon.
Forskare har vetat i årtionden att om man kyler flytande helium bara några grader under dess kokpunkt på -452 grader Fahrenheit (-269 grader Celsius) kommer det plötsligt att kunna göra saker som andra vätskor inte kan göra, som att droppa genom molekyltunna sprickor, klättra upp och över sidorna på en tallrik och förbli orörlig när dess behållare snurras.
Helium är inte längre bara en vätska utan har blivit en superfluid – en vätska som flyter utan friktion. ”Om du ställer en kopp med en vätska som cirkulerar runt och kommer tillbaka tio minuter senare har den naturligtvis slutat röra sig”, säger John Beamish, experimentell fysiker vid University of Alberta i Edmonton. Atomer i vätskan kommer att kollidera med varandra och sakta ner. ”Men om du gör samma sak med helium vid låg temperatur och kommer tillbaka en miljon år senare”, säger han, ”skulle det fortfarande röra sig.”
Som många andra fysikexperiment som får dig att säga ”Huh?”-superfluiditet är ett resultat av kvantmekanikens kontraintuitiva regler. Men till skillnad från andra kvantgrejer är superflytande heliums märkliga beteende synligt för blotta ögat.
Ett tidigt tecken på heliums märkliga beteende observerades redan 1911 av den holländska fysikern och 1913 års Nobelpristagare i fysik Heike Kamerlingh Onnes, en mästare på kylning som var den första som lyckades göra helium flytande. Onnes upptäckte att helium (tekniskt sett helium 4-isotopen) började lätt leda värme under -455,67 grader F (-270,92 grader C), även känd som lambda-punkten.
Det var inte förrän 1938 som den ryske fysikern Pjotr Kapitsa och, oberoende av varandra, den brittiska duon John Allen och Don Misener mätte flödeshastigheten av helium under denna temperatur genom ett par glasskivor som var fästa vid en kolv respektive ett långt, tunt glasrör. Viskositeten var så låg att Kapitsa, som fick sitt eget Nobelpris för arbetet, myntade termen ”superfluid” för att beskriva det – efter ”supraledare”, termen för ett material som leder mycket höga elektriska strömmar utan motstånd.
Nyckeln till effekten är heliums unika förmåga att förbli flytande ner till den absoluta nollpunkten (-459,67 grader F eller -273,15 grader C), den temperatur där atomerna teoretiskt sett slutar röra sig. När de flesta vätskor kyls börjar den svaga attraktionen mellan atomerna i vätskan slutligen att övervinna värmesvängningarna, och partiklarna lägger sig i en regelbunden ordning, nämligen ett fast ämne. Men heliumatomer är så lätta och dras så svagt till varandra att även när de vanliga atomrörelserna har lugnat ner sig, så skramlar atomerna med en nollpunktsrörelse, ett svagt momentum som ges av kvantosäkerhetsprincipen. Därför sätter de sig aldrig i fast tillstånd.
Heliums likviditet vid låga temperaturer gör att det kan utföra en omvandling som kallas Bose-Einstein-kondensation, där enskilda partiklar överlappar varandra tills de beter sig som en enda stor partikel. Atomer som agerar tillsammans beter sig inte som enskilda atomer. ”Om man marscherar unisont kolliderar man inte med varandra”, säger Moses Chan, som studerar superfluiditet vid Pennsylvania State University i University Park.
Forskarna tycker om att tänka på superfluid helium som en blandning av två vätskor, en normal och en superfluid. Olika experiment lyfter fram de två fraktionernas kontrasterande karaktärer. Det enklaste ”experimentet” är att se hur en behållare fylld med flytande helium plötsligt läcker när den kyls ner under lambdapunkten och den friktionsfria superfluidfraktionen börjar strömma ut genom mikroskopiska sprickor som den normala vätskefraktionen inte kan ta sig in i. (”Superläckor” har varit ett problem för forskare som arbetar med flytande helium sedan de första dagarna, säger Beamish.) Men omrör samma helium som kaffe och den normala vätskefraktionen kommer att stå emot rörelsen, vilket trots allt ger viskositet åt den superfluida blandningen.
När temperaturen sjunker tar den superfluida fraktionen upp en större andel av blandningen. I fältets guldstandardförsök mäter forskarna förhållandet mellan de två fraktionerna genom att placera ett prov i en cylindrisk metallbehållare som hänger i en tråd. När de ger tråden en vridning kommer cylindern att rotera åt ena hållet och sedan åt andra hållet. Men endast den normala fraktionen kommer att rotera med cylindern, på grund av friktionen mellan den och cylinderväggarna; den superfluida delen skär rakt igenom den normala vätskan och står stilla. När den superfluida fraktionen ökar roterar cylindern snabbare, som om cylindern förlorade vikt (tekniskt sett tröghet).
Den superfluida heliums dubbla natur är i arbete igen när den klättrar uppför väggarna i en behållare. (Titta på den här YouTube-videon av effekten.) Vilken vätska som helst kommer att täcka sidorna på en skål som den ligger i – återigen tack vare den svaga attraktionen mellan atomerna – men vätskaens inre friktion begränsar hur långt beläggningen kan spridas. I superfluid helium glider den friktionsfria filmen över hela behållaren och skapar en slags arena genom vilken superfluiden kan flöda. Om vätskan har någonstans att falla efter att ha klättrat ut ur skålen kommer den att droppa från behållarens botten tills den suger ut all superfluid som samlats ovanför den.
Samma princip ligger till grund för en annan berömd demonstration där superfluid snabbt skjuter ut ur ett öppet, uppvärmt glasrör som är packat med fint pulver i botten. Det kallas superfluidfontänen och inträffar på grund av att superfluiden utanför röret rusar in för att kyla ner den superfluid som har värmts upp av rörets insida. (Allen, superfluiditetens medupptäckare, sägs ha upptäckt effekten när han lyste med en ficklampa på ett glasrör med flytande helium.)
Arbetet med superfluid helium har redan gett tre Nobelpris och kan ännu få fler. År 2004 roterade Chan och Eun-Seong Kim från Penn State en ring full av fast helium vid ett tryck på 26 atmosfärer och fann att när de kylde ner heliumet under den kritiska temperaturen ökade rotationsfrekvensen, precis som den gör med flytande helium. Ett halvt dussin laboratorier, däribland Beamishs, studerar ”supersolid”-effekten, men forskarna är fortfarande inte säkra på vilka beståndsdelar i det fasta materialet som skulle kondenseras till ett enda Bose-Einstein-tillstånd.
Tricket är nu att se om supersolidet kan ge upphov till motsvarigheten till superläckor eller andra välkända supereffekter. ”Om andra unika egenskaper kan visas på ett övertygande sätt”, säger Beamish, ”kommer alla att hålla med om att det är en ny fas av materia.”
.
