超流動

超流動：極低温下の不思議な現象

超流動とは、極低温下で液体ヘリウムが示す、通常の液体にはない特異な流動現象です。粘性がゼロとなり、容器の壁面を伝って流れ出たり、極めて狭い隙間をすり抜けたりする様子は、まるで液体が壁や隙間を無視して移動するかのような不思議な現象です。この現象は、量子力学的な効果が巨視的に現れたものであり、物質の基礎を理解する上で非常に重要な意味を持っています。

液体ヘリウム4の超流動

ヘリウム4は、絶対零度付近まで冷やしても固体にならず、液体状態を保ち続けます。これは、ヘリウム原子の零点振動と呼ばれる量子力学的効果によるものです。温度を下げていくと、約2.17K（ケルビン）で比熱が急激に変化する相転移が起こり、超流動状態へと移行します。この温度をλ点と呼びます。

超流動状態のヘリウム4は、粘性が完全にゼロになります（He II相）。そのため、極めて小さな隙間でも流れ抜け、容器の壁面を伝って上昇するなど、通常の液体とは全く異なる挙動を示します。ただし、有限温度では、粘性のある普通の液体としての性質を示す常流体（He I相）と、粘性のない超流体（He II相）が共存しています。この現象を説明するモデルとして、二流体理論が提案されています。

超流動状態のヘリウム4では、ボース粒子であるヘリウム4原子がボース・アインシュタイン凝縮を起こしています。1938年、フリッツ・ロンドンは、超流動の転移温度をボース・アインシュタイン凝縮温度と見なすことで、理論的な転移温度を算出し、実験値とよく一致することを示しました。ただし、理想ボース気体のモデルでは、ヘリウム原子間の相互作用や、原子間の斥力を考慮していないため、実験値とのずれが生じます。現在では、原子間の相互作用を考慮したより精緻な理論が構築されています。

さらに、超流動ヘリウムは非常に高い熱伝導率を示します。これは、熱流に対して超流動成分が流れ込み、常流動成分が流れ出すという一種の対流現象によって説明されます。そのため、超流動ヘリウムは、全体が熱的に非常に均一な状態を保ちます。

液体ヘリウム3の超流動

ヘリウム3は、ヘリウム4とは異なりフェルミ粒子（スピン1/2）であるため、1972年まで超流動現象は観測されていませんでした。ヘリウム3が超流動になるには、超伝導と同様に、2つのヘリウム3原子がお互いに対（クーパー対）を形成する必要があります。ヘリウム3の場合、この対はp波三重項（L=1、S=1）と呼ばれる特殊な状態を形成します。これは、従来の超伝導（s波一重項）とは異なる機構であり、ヘリウム3の対形成を駆動する力は、スピンのゆらぎであると考えられています。

ヘリウム3の超流動転移温度は、ヘリウム4よりもはるかに低く、34気圧で約2.6mK、0気圧で約1mKです。これは、フェルミ粒子の性質と対形成による凝縮の難しさに由来します。ヘリウム3の超流動機構は、超伝導（BCS理論）ほどには完全に解明されていません。

超流動の歴史

ヘリウム4の超流動は、1937年にカピッツァ、Allen、Misenerによって独立に発見されました。その後、ロンドンはボース・アインシュタイン凝縮との関連性を指摘し、ランダウは流体の励起状態に基づいた理論を構築しました。ボゴリューボフは相互作用のあるボース気体の理論を展開し、ペンローズは非対角長距離秩序という概念を導入しました。これらの研究により、超流動現象の理解は大きく進展しました。

まとめ

超流動は、量子力学の巨視的な効果が顕著に現れる現象であり、その特異な性質は、基礎物理学の研究において重要な役割を果たしています。ヘリウム4とヘリウム3では、その超流動機構に違いがあり、それぞれに未解明な部分も残されています。今後、さらなる研究によって、超流動現象のより深い理解が進むことが期待されます。

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