초유체

헬륨2는 표면을 따라서 "흐르게" 된다.

초유체(超流體)는 물리학에서 점성이 전혀 없는 유체를 말한다. 따라서 초유체는 마찰 없이 영원히 회전할 수 있다. 초유체는 1937년에 표트르 레오니도비치 카피차, 존 앨런, 돈 마이스너에 의해 처음 발견되었다.

헬륨4의 상평형

헬륨4을 관찰하면 특이한 형태의 상평형 그림을 얻게된다. 일단 극저온저압일 때에는 액체(초유체)의 상을 갖고, 저온 고압일 때에 비로소 고체가 된다. 이는 절대 영도에서 고체로 존재하는 다른 원소들과 비교할 때에 특이한 점이다. 극저온저압일 때 나타나는 초유체 상과 저압일 때에 나타나는 일반 액체 상사이의 상전이는 람다(λ)상전이라고 불리는데 이는 초유체에서 일반 액체로 상전이할 때에 견줌열이 그리스 문자 λ와 같은 형태로 발산하기 때문이다. 이때 이 임계 온도(람다점 λ)이하로 내려가면 초유체 상태로 전이된다. 헬륨3의 임계 온도는 약 1.02 mK이고, 헬륨4의 임계온도는 2.2K이다.

초유체 현상은 양자역학적인 현상으로 보스-아인슈타인 응축 모형으로 설명된다. 즉, 다수의 보손이 동일한 양자상태를 갖게 된다. 이와 같이 헬륨 입자가 모두 바닥상태로 응축될 수 있다. 즉 초유체 상태는 레이저, 초전도 현상와 같이 거시적인 양자역학적 상태이다.

헬륨3의 초유체 현상

보손인 헬륨4 원자와는 달리 자연상태에서 희귀한 헬륨3 원자는 페르미온이다. 따라서 헬륨3 입자는 보스-아인슈타인 통계를 적용할 수 없고, 페르미-디락 통계를 따르며, 보스-아인슈타인 응축 모형을 적용할 수 없다. 그럼에도 불구하고 헬륨3의 경우에도 초유체 현상은 관찰된다. 그러나 이는 보스-아인슈타인 응축 모형을 반증하는 예는 아니다. 헬륨3의 경우에 입자들은 개개의 페르미온으로 행동하지 않고, 두 입자가 짝을 이루어 보손화된다. 즉, 두 개의 페르미온이 하나의 보손처럼 행동하여 보스-아인슈타인 응축 현상을 나타내게 된다.

같이 보기

• 초고체
• 보스-아인슈타인 응축
• 보즈 기체
• 초전도 현상