當液氦（指4He）的溫度降到2.17K時，液氦從原來的正常流體突然轉變為具有一系列極不尋常的性質的“超流體”，這就是超流現象(Superfluidity)。
基本介紹
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簡介
超流
氦是目前人們知道的即使在絕對零度，壓力不夠也不能被凍結成固體的惟一天然物質，有這一性質的另一物質是經人工極化的氫氣。在極低溫度下，液態氦的粘性會消失，它在任何東西上流動都沒有阻力，甚至可以垂直的爬上容器的壁，其傳熱係數比銅還好。科學家把這種沒有阻力的流動叫作超流。
超流現象的發現
超流現象早就被發現了，但直到20世紀70年代，英國科學家安東尼·萊格特才發現，氦的同位素氦-3的原子對與超導體中金屬的電子對結構相似。他的理論才從根本上解釋了氦原子是如何互動的和如何進入超流這種有序狀態的。超流現象是一種巨觀範圍內的量子效應。由於玻色—愛因斯坦凝聚，氦原子形成一個“抱團很緊”的集體。超流正是這種“抱團”現象的具體表現。玻色子體系不受泡利原理的限制，而且，由於粒子總是自發地向低能級躍遷，玻色子有向基態能級凝聚的傾向，這是產生超流現象的基本原因。
意義
超流現象
自卡末林·昂尼斯實現氦的液化後，對物質在低溫下的物理性質的研究逐步深入，相繼發現了低溫下的超導電性和超流現象。 30年代，實驗發現，當液氦（指4He）的溫度降到2.17K時，液氦從原來的正常流體突然轉變為具有一系列極不尋常的性質的“超流體”，這就是超流現象。
超流的液氦具有以下性質
在2.17K（-270.42攝氏度）以下，超流的液氦具有以下性質：
其次，如果用一細絲懸掛一薄盤浸於液氦中，讓圓盤作扭轉振動，則盤的運動將不會受到阻力。
第三，當液氦由容器A中通過多孔塞（或極細的毛細管）流出時，A內的液氦的溫度升高。這一現象好如機械致熱效應。其逆過程稱為熱機械效應，即：當升高A內的溫度時，其中液氦的液面將上升，若A本身是一毛細管，則將觀察到液氦從上口噴出，故也稱噴泉效應。
以上這些性質都表現為巨觀現象，事實上卻是超流液氦的量子效應。不同於巨觀物體，微觀粒子除了坐標空間的動量外，還有一種“內部”角動量——自旋。粗略地說，可以把它看成一個轉動的小陀螺，有一個小磁矩。具有半整數自旋的粒子稱為費米子，如電子、中子、質子，它們的自旋為1/2。具有整數自旋的粒子叫玻色子，如光子，p-介子，它們的自旋為1。對於費米子，由於泡利不相容原理的緣故，每個狀態只允許填一個粒子。而對於玻色子，粒子在各狀態上的填充數不受限制。溫度降到一個特定值後，越來越多的玻色子處於能量最低的，也就是動量為零的狀態。這個現象叫做玻色—愛因斯坦凝聚。這裡所說的凝聚不是通常說的那種氣體變液體的凝聚，而是“動量凝聚”。也就是說，許多分子都轉到動量為零的狀態，這就使得它們在坐標空間中還是在容器中的液體，而此時液體的流動性發生了突變。液氦（4He）是玻色子，在2.17K以下的超流轉變就是這種“凝聚”。
氦3的超流體現象
直到20世紀70年代末科學家才觀測到氦3的超流體現象，因為使氦3出現超流體現象的溫度只有氦4的千分之一。 愛因斯坦預言，原子氣體冷卻到非常低的溫度，所有原子會以最低能態凝聚，物質的這一狀態就被稱為玻色－愛因斯坦凝聚。玻愛凝聚態物質就是超導體和超流體，它實際是半量子態，在半量子態下，費米子象玻色子一樣可以在狹小空間內大量凝聚。外地核就是玻愛凝聚態的超流體物質，內地核則由中微子構成，都是高密度、大質量形態。
超流體是超低溫下具有奇特性質的理想流體，即流體內部完全沒有粘滯。超流體原理的套用尚在研究之中。不過，這一領域已經曙光初現。2002年，德科學家實現銣原子氣體超流體態與絕緣態可逆轉換。世界科技界認為該成果將在量子計算機研究方面帶來重大突破。這一成果被中國兩院院士評為2002年世界十大科技進展之一。
氦3最吸引人類的就是它作為能源材料的優秀“潛質”。氘和氦3可以進行核聚變，這種聚變不產生中子，所以放射性小，而且反應過程易於控制，可算是既無污染又安全。氦3不僅可用於地面核電站，而且特別適合作為火箭和飛船的燃料，用於宇宙航行。從月球土壤中每提取一噸氦3，可得到6300噸氫、70噸氮和1600噸碳。
據專家計算，如果採用氦3核聚變發電，美國年發電總量僅需消耗25噸氦3；中國1992年的年發電總量只需8噸氦3，全世界一年有100噸氦3用於發電就夠了。以目前全球電價和空間運輸成本算，1噸氦3的價值約40億美元，而且隨著空間技術發展，空間運輸成本肯定將大大下降。最近法國科學家宣布，2030年，利用氦3進行核聚變發電將實現商業化。據估算，如果月球上有500萬噸的氦3儲量，那能夠支持地球萬年以上的的電量！
超流現象和探月工程
探月高潮
從上世紀90年代開始，包括中國、以色列、日本、印度等國家在內，人類掀起了新一輪的探月高潮，在這次探月高潮中，神秘的氦3元素成為世人共同的目標。氦3就是氦的同位素，含有兩個質子和一個中子。氦3原本大量存在於太陽噴射出來的高能粒子流——太陽風中。在幾乎沒有大氣的月球上，太陽風直接落到月球表面，日積月累，在月面的沙粒、岩石中，氦3的含量越積越多，成了月壤重要的組成部分。
中國人的探月初步構想
第一個，我們要對月球做全面的三維空間照相，把月球的圖像全部照下來，這是非常重要的。儘管美國幾次登月，還沒有得到一個全面的圖像；
第二個，用光譜分析的辦法，探測月球上的多種礦物元素。月球上估計大概有100多種礦物元素，美國探測了5種，我們這一次再加9種，一共要探測14種元素；
第三個，探測月球上土壤的厚度。比如，通過測量土壤厚度，可以知道(那裡)有“氦3”。月球土壤里大量存在著叫做“氦3”的一種化學元素，它是氣體性質，是非常重要的聚變能源；
第四個，在飛行的過程中探測地月空間環境狀況。
氦3資源
據說“嫦娥一號”抵月球約需173個小時，而在我們後面要來登月的還有日本人、印度人、以色列人等。但獲取氦3無疑是一個主要目的。初步估計月球上有100萬到500萬噸，還有一種說法是100萬到150萬噸。我當然更願意相信前者。據說全世界如果用“氦3”聚變發電，至少能用1萬年。
另外氦3在軍事、醫學等方面也有廣大的神通。
新發現的超流現象
同時具有玻色子和費米子性質的超流現象
在量子力學的世界中，經常能夠看到令人驚訝的新發現。例如，最近科學家們發現了一種新的超流，它具有非常奇特的性質，不能用其他的超流來解釋。這個發現是由美國華盛頓州西雅圖大學的Aurel Bulgac和Joaquin E. Drut與波蘭華沙技術大學的Piotr Magierski合作完成的，它為科學家們提供了一種新的同時具有費米子和玻色子性質的混合態超流。研究論文發表在3月10日的《Physical Review Letters》雜誌上。
Bulgac說：“通過簡單的改變溫度，你就能把玻色子系統變成費米子系統。迄今為止，這個現象在其它任何系統中都不常見。”
與一般的普通超流不同
另一個值得關注的奇特現象是這種超流的熱力學性質與一般的普通超流不一樣。玻色子超流中顯示的是玻色子間的相互作用，費米子超流中則是費米子間的相互作用。但是在這種混合系統中，量子粒子之間的相互作用卻非常微弱。Bulgac說：“超流性質實際上是一種相互作用，這種相互作用很強，但是它不在熱力學性質中表現出來。我們知道這個新發現是超流，但是它的熱性質與其他超流不同。”
與高溫超導體聯繫起來
這種新的超流態的存在可能提供一種對物質更好的認識，尤其是當把它與高溫超導體聯繫起來時。Bulgac解釋說：“儘管科學家們已經能夠製造出高溫超導體，但是他們對高溫超導體的認識並不完善。這種新的混合態超流有很多與高溫超導體類似的特徵，我們希望這種超流更容易理解，然後就能把類似的想法類推到高溫超導體上去。”
Bulgac和同事們認為這種新的超流態不僅能夠揭開超導體的秘密，而且對研究恆星和其他凝聚態系統也有幫助，另外對設計新材料也有參考價值。
