超流體（Superfluid）

超流體（Superfluid）
國立臺灣師範大學物理系吳幸璇碩士生/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯

何謂「超流」？簡單來說超流體指的是沒有阻力的液體，流動時完全沒有阻力。

1908年，昂尼斯（Heike Kamerlingh Onnes）以其獨有的低溫技術將氦氣液化成功，而氦的液化溫度是4K。我們知道天然的氦氣其原子核含有兩個質子，兩個中子，核外有兩個電子，記為 ⁴He 。又氦的同位素， ³He ，則是比 ⁴He 要少一個中子。由圖一可知 ⁴He 的超流性質要在2.2K溫度處才顯示出來，而 ³He 則要到2.7mK溫度處才呈現超流性質。

超導、超流的發現均依賴於液氦的獲得，超流現象從初露端倪到確認如同一個極度難產的嬰兒，要歷經長長的近三十年。1910年，昂尼斯他們在2.2K溫度處發現了液氦密度有異常，但他們放過了這個異常，隨後就全力投入到新發現的超導現象的研究中。直到1922年，昂尼斯他們才從超導的研究中轉回來重新研究這個異常。

1934年，在英國主持蒙德實驗室的蘇聯科學家卡皮查（Pyotr L.Kapitsa），自行設計並製造了獨特的氦液化器，長達二十多年的氦液化技術的壟斷逐得以打破。1938年自然雜誌的一月刊，登載了卡比查確認 ⁴He 超流性質的文章，同期雜誌亦登載了多倫多大學艾倫（J. Allen）與麥斯內（D. Misener）的超流文章。至此， ⁴He 在2.2K溫度以下的超流狀態得以確認，其中卡皮查於1978年獲諾貝爾獎。

由於 ³He 的超流性質要在2.7mK處才顯示出來，故此對低溫技術要求極高，直到1972年，美國康乃爾大學的三位物理學家才從實驗上確認了 ³He 的超流性質。1996年，他們三人，李戴維（David M. Lee）、瑞查森（Robert C. Richardson）及奧謝羅夫（Douglas D. Osheroff）獲諾貝爾獎。

³He 雖然是 ⁴He 的同位素，但 ³He 原子作集體運動時的統計性質全然不同於 ⁴He ，解釋 ⁴He 超流性質的理論不能用於解釋 ³He 。其中萊格特（Anthony J. Leggett）在1975年成功地描述 ³He 超流性質的理論，這個工作使萊格特獲得2003年的諾貝爾獎。

³He 是一種帶有自旋二分之一的費米子（Fermion）。（它有兩個形成封閉1s 軌域的電子，和一個包含兩個質子和一個中子的原子核）。在大約2K 時，雖然費米統計變得重要，而且系統形成正常的費米液體像在正常金屬裡的電子，系統本身沒有發生明顯的變化， ³He 僅在約 mK 時才變成超流體。

※超流特性
1.無粘性、零熵度，和無限大的熱傳導率；液態氦低於絕對溫度2.2K時，幾乎完全導熱。它導熱非常快，事實上，相當於聲速，致使氦的所有部分總是在相同的溫度。故此在超流體中出現溫差是不可能的。
2.Creeping film effect：將超流體放置於環狀的容器中，它可以毫無摩擦力的永無止盡的流動
3.噴泉效應：將一纖細管放在一池超流氦之中，而對纖細管被加熱（如對它照光），氦便會爬上管頂。

※超流應用
1.稀釋致冷機（Dilution refrigerator）
2.用作化學領域光譜分析技術的量子溶劑。
3.超流氦滴光譜分析（SHeDS）中，單個分子溶于超流介質之中，使之有有效的旋轉自由度，如同在氣態之中。 這引起了對氣體分子研究的極大興趣。
4.於高精度儀器，如陀螺儀。 它可以量度一些理論預測的引力效應。

資料來源：
1.諾貝爾網站  http://nobelprize.org/
2.低溫物理學史簡介  http://gzwl.cooco.net.cn/groupmsg/1376/
3.Helium（19.8.2003, Erkki Thuneberg）  http://ltl.tkk.fi/research/theory/helium.html
4.維基百科–超流體 http://zh.wikipedia.org/zh-tw/超流體