ヘリウムIIは表面を「這うように」移動し、自身のレベルを探ります。しばらくすると、2つの容器内のレベルは等しくなります。ローリンフィルムは大きな容器の内側も覆っています。もし密閉されていなければ、ヘリウムIIは漏れ出てしまうでしょう。
液体ヘリウムは超流動状態にあります。目に見えない薄い膜がボウルの内壁を這い上がり、外側に落ちていきます。そして滴が形成され、下の液体ヘリウムへと落ちていきます。この状態は、液体が超流動状態を維持する限り、カップが空になるまで繰り返されます。

超流動とは、粘性がゼロである流体の特性であり、運動エネルギーの損失なく流動します。撹拌されると、超流動は無限に回転し続ける渦を形成します。超流動は、ヘリウムの2つの同位体（ヘリウム3とヘリウム4 ）が極低温まで冷却されて液化したときに発生します。また、天体物理学、高エネルギー物理学、量子重力理論において存在が理論化されている様々なエキゾチックな物質状態の特性でもあります。[1]超流動の半現象論的理論は、ソビエトの理論物理学者レフ・ランダウとイサク・ハラトニコフによって発展しました。

超流動はボーズ・アインシュタイン凝縮と同時に起こることが多いが、どちらの現象も直接関連しているわけではない。すべてのボーズ・アインシュタイン凝縮体が超流動体とみなせるわけではなく、またすべての超流動体がボーズ・アインシュタイン凝縮体であるわけでもない。[2]超流動と凝縮が同時に起こる場合でも、その大きさは関連していない。低温では、液体ヘリウムは超流動体の割合が大きいが、凝縮体の割合は低い。一方、相互作用が弱いBECでは凝縮体の割合がほぼ1で、超流動体がゼロになることがある。[3]

超流体には、量子溶媒に物質を溶かすなど、いくつかの潜在的な実用的用途があります。

液体ヘリウムの超流動

超流動は1937年にピョートル・カピツァ[4]によってヘリウム4で発見され、ジョン・F・アレンとドン・ミゼナー[5]によっても独立に発見されました。オネスはおそらく1911年8月2日に超流動相転移を観測しており、これは彼が水銀で超伝導を観測したのと同じ日でした。[6]それ以来、超流動は現象論と微視的理論によって説明されてきました。

In liquid helium-4, the superfluidity occurs at far higher temperatures than it does in helium-3. Each atom of helium-4 is a boson particle, by virtue of its integer spin. A helium-3 atom is a fermion particle; it can form bosons only by pairing with another particle like itself, which occurs at much lower temperatures. The discovery of superfluidity in helium-3 was the basis for the award of the 1996 Nobel Prize in Physics.[1] This process is similar to the electron pairing in superconductivity.

Cold atomic gases

Superfluidity in an ultracold fermionic gas was experimentally proven by Wolfgang Ketterle and his team who observed quantum vortices in lithium-6 at a temperature of 50 nK at MIT in April 2005.[7][8] Such vortices had previously been observed in an ultracold bosonic gas using rubidium-87 in 2000,[9] and more recently in two-dimensional gases.[10] As early as 1999, Lene Hau created such a condensate using sodium atoms[11] for the purpose of slowing light, and later stopping it completely.[12] Her team subsequently used this system of compressed light[13] to generate the superfluid analogue of shock waves and tornadoes:[14]

These dramatic excitations result in the formation of solitons that in turn decay into quantized vortices—created far out of equilibrium, in pairs of opposite circulation—revealing directly the process of superfluid breakdown in Bose–Einstein condensates. With a double light-roadblock setup, we can generate controlled collisions between shock waves resulting in completely unexpected, nonlinear excitations. We have observed hybrid structures consisting of vortex rings embedded in dark solitonic shells. The vortex rings act as 'phantom propellers' leading to very rich excitation dynamics.

— Lene Hau, SIAM Conference on Nonlinear Waves and Coherent Structures

Superfluids in astrophysics

中性子星内部に超流動性が存在するという考えは、アルカディ・ミグダルによって初めて提唱された。[15] [16]超伝導体内の電子が電子格子相互作用によってクーパー対を形成するのと同様に、中性子星内の核子も十分に高密度かつ低温であれば長距離核引力によってクーパー対を形成し、超流動性と超伝導をもたらすことが予想される。[17]

超流動暗黒物質の理論では、暗黒物質は特定のスケールで超流動状態で存在することができ、超流動内のフォノンを通じてMONDのような力を媒介します。この理論は、暗黒物質と修正重力の部分的な成功を再現することを意図しています。より小さなスケールでは、理論は MOND のようなダイナミクスを生成し、次に銀河の回転曲線や緊密なタリー・フィッシャー関係を予測する際の MOND の成功の再現を可能にし、高密度の暗黒物質ハローが過大な動的摩擦を生成するという通常の冷たい暗黒物質理論によって引き起こされる問題を回避します。[18] [19] [20]より大きなスケールでは、理論は温かい暗黒物質または熱い暗黒物質に似た動作を生み出し、MOND が重力の強さを過小評価する銀河団スケールでの追加質量を可能にし、宇宙マイクロ波背景放射などの暗黒物質によって十分に説明できる現象の再現を可能にします。

高エネルギー物理学と量子重力

超流動真空理論（SVT）は、物理的な真空を超流体として捉える理論物理学と量子力学のアプローチである。 [21] [22]

このアプローチの最終的な目標は、量子力学（既知の4つの基本的な相互作用のうち3つを記述）と重力を統合する科学モデルを開発することです。これにより、SVTは量子重力理論の候補となり、標準模型の拡張となります。[要出典]

このような理論の発展により、すべての基本的な相互作用が単一の一貫したモデルに統合され、すべての既知の相互作用と素粒子が同じ実体である超流動真空の異なる現れとして記述されることが期待されます。[引用が必要]

マクロスケールでは、ムクドリの群れの飛行において同様の現象が起こっていると示唆されています。飛行パターンの急速な変化は、一部の液体状態における超流動につながる相変化を模倣しています。[23]

参照

参考文献

  1. ^ ab 「1996年ノーベル物理学賞 – 詳細情報」www.nobelprize.org . 2017年2月10日閲覧。
  2. ^ Liu, Jerry Z. (2021), Superfluids Are Not Fluids (PDF) , Stanford University , 2024年11月15日閲覧
  3. ^ Chauveau, G.; Maury, C.; Rabec, F.; Heintze, C.; Brochier, G.; Nascimbene, S.; Dalibard, J.; Beugnon, J.; Roccuzzo, SM; Stringari, S. (2023-06-02). 「相互作用する空間変調ボーズ・アインシュタイン凝縮体における超流動率」. Physical Review Letters . 130 (22) 226003. arXiv : 2302.01776 . Bibcode :2023PhRvL.130v6003C. doi : 10.1103/PhysRevLett.130.226003 . ISSN  0031-9007. PMID  37327429.
  4. ^ Kapitza, P. (1938). 「λ点以下の液体ヘリウムの粘度」. Nature . 141 (3558): 74. Bibcode :1938Natur.141...74K. doi : 10.1038/141074a0 . S2CID  3997900.
  5. ^ Allen, JF; Misener, AD (1938). 「液体ヘリウムIIの流れ」. Nature . 142 (3597): 643. Bibcode :1938Natur.142..643A. doi :10.1038/142643a0. S2CID  4135906.
  6. ^ van Delft, Dirk; Kes, Peter (2010-09-01). 「超伝導の発見」. Physics Today . 63 (9): 38– 43. Bibcode :2010PhT....63i..38V. doi : 10.1063/1.3490499 . ISSN  0031-9228.
  7. ^ 「MITの物理学者が新たな物質の形を創造」mit.edu 2005年6月22日. 2010年11月22日閲覧。
  8. ^ Grimm, R. (2005). 「低温物理学：量子革命」. Nature . 435 (7045): 1035– 1036. Bibcode :2005Natur.435.1035G. doi : 10.1038/4351035a . PMID  15973388. S2CID  7262637.
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  10. ^ Burnett, K. (2007). 「原子物理学：冷たいガスがフラットランドへ進出」Nature Physics . 3 (9): 589. Bibcode :2007NatPh...3..589B. doi : 10.1038/nphys704 .
  11. ^ Hau, LV; Harris, SE; Dutton, Z.; Behroozi, CH (1999). 「超低温原子ガスにおける光速17メートル/秒への低下」 . Nature . 397 (6720): 594– 598. Bibcode :1999Natur.397..594V. doi :10.1038/17561. S2CID  4423307.
  12. ^ 「Lene Hau」. Physicscentral.com . 2013年2月10日閲覧。
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  21. ^ ヴォロヴィク 2003.
  22. ^ スコット、トニー・C. (2023). 「修正ニュートン力学から超流動真空理論へ」.エントロピー. 25 (1): 12. doi : 10.3390/e25010012 . PMC 9857720. PMID  36673152 . 
  23. ^ アタナシ、A.;カヴァーニャ、A.デル・カステッロ、L.ジャルディーナ、I。グリゲラ、TS;イェリッチ、A.メリロ、S.パリシ、L.ポール、O。シェン、Ｅ．ヴィアーレ、M. (2014)。 「ムクドリの群れにおける情報伝達と行動の慣性」。自然物理学。10 (9 ) : 615–698.arXiv : 1303.7097 。Bibcode :2014NatPh..10..691A。土井：10.1038/nphys3035。PMC 4173114。PMID  25264452。 

さらに読む

  • Wikiquoteにおける超流動性に関する引用
  • ウィキメディア・コモンズの超流動性に関するメディア
  • ビデオ: 超流動ヘリウムの実証 (アルフレッド ライトナー、1963 年、38 分)
  • 2次元フェルミ気体で見られる超流動は、銅酸化物超伝導体に関連する2021年の最近の観測である。