超流動性

超流動性とは、粘性がゼロの流体の特性であり、そのため運動エネルギーの損失なしに流れます。超流動体はかき混ぜると、無限に回転し続ける渦を形成します。超流動性は、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されるときに発生します。また、天体物理学、高エネルギー物理学、量子重力理論で存在すると理論化されているさまざまな他のエキゾチックな物質状態の特性でもあります。^{[ 1 ]}超流動性の半現象論的理論は、ソビエトの理論物理学者レフ・ランダウとイサーク・ハラトニコフによって開発されました。

超流動はボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）と同時に起こることが多いが、どちらの現象も直接的に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、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。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分率が大きいが凝縮分率は小さい。一方、相互作用の弱いBECは、凝縮分率がほぼ1であるにもかかわらず、超流動分率がほぼゼロになることがある。^{[ 2 ]}

超流動体には、量子溶媒に物質を溶解させるなど、いくつかの実用的な用途の可能性がある。

ヘリウム4における超流動は、1937年にピョートル・カピツァ^{[ 3 ]}とジョン・F・アレンおよびドン・ミセナー^{[ 4 ]}によって独立に発見された。オネスは、1911年8月2日に超流動相転移を観測した可能性があり、これは彼が水銀の超伝導を観測したのと同じ日である^{[ 5 ]} 。それ以来、現象論と微視的理論によって説明されてきた。この発見でノーベル賞を受賞したのはカピツァだけである。ヘリウム4における超流動の定説となっている巨視的理論は、 1941年にレフ・ランダウによって開発された[LD Landau, J. Phys. USSR 5, 71 (1941), "The Theory Of Superfluidity In Helium II".]。ランダウはこの研究で1962年にノーベル賞を受賞した。

液体ヘリウム4では、超流動はヘリウム3よりもはるかに高い温度で発生します。ヘリウム4の各原子は、その整数スピンによりボソン粒子です。ヘリウム3原子はフェルミオン粒子であり、ボソンを形成するには、自分と同じ粒子と対になる必要があり、これははるかに低い温度で発生します。ヘリウム3の超流動の発見は、1996年のノーベル物理学賞の授与の基礎となりました。^{[ 1 ]}このプロセスは、超伝導における電子対形成に似ています。

極低温フェルミオンガスの超流動性は、 2005 年 4 月にMITで 50 nK の温度でリチウム 6の量子渦を観測したWolfgang Ketterleと彼のチームによって実験的に証明されました。^{[ 6 ] [ 7 ]}このような渦は、2000 年にルビジウム 87を使用した極低温ボソンガス で以前に観測されており、 ^{[ 8 ]}最近では二次元ガスでも観測されています。^{[ 9 ]} 1999 年という早い時期に、Lene Hau は、光を減速し、後に完全に停止させる目的で、ナトリウム原子を使用してこのような凝縮体を作成しました。 ^{[ 10 ] [ 11 ]} その後、彼女のチームは、この圧縮された光のシステムを使用して、衝撃波や竜巻の超流動アナログを生成しました。^{[ 12 ] [ 13 ]}

これらの劇的な励起はソリトンの形成をもたらし、それが今度は量子化された渦へと崩壊します。この渦は平衡状態から大きく外れた状態で、反対方向の循環を持つペアで生成され、ボーズ・アインシュタイン凝縮体における超流動崩壊の過程を直接明らかにします。二重の光遮断装置を用いることで、衝撃波間の制御された衝突を生成し、全く予想外の非線形励起を引き起こすことができます。私たちは、暗いソリトン殻に埋め込まれた渦輪からなるハイブリッド構造を観測しました。渦輪は「ファントムプロペラ」として働き、非常に豊かな励起ダイナミクスをもたらします。

中性子星内部に超流動性が存在するという考えは、最初にアルカディ・ミグダルによって提唱された。^{[ 14 ] [ 15 ]}電子格子相互作用により超伝導体内部の電子がクーパー対を形成するのと同様に、中性子星内部の核子も、十分な高密度かつ低温であれば、長距離の核引力によりクーパー対を形成し、超流動性や超伝導性をもたらすと予想される。^{[ 16 ]}

超流動ダークマター理論では、ダークマターは特定のスケールで超流動状態にあり、超流動中のフォノンを介してMONDのような力を媒介します。この理論は、ダークマターと修正重力の部分的な成功を再現することを目的としています。より小さなスケールでは、この理論はMONDのようなダイナミクスを生み出し、銀河の回転曲線やタイトなタリー・フィッシャー関係の予測など、MONDの成功を再現することを可能にし、高密度のダークマターハローが過剰な動的摩擦を生み出す通常の冷たいダークマター理論によって引き起こされる問題を回避します。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}より大きなスケールでは、この理論は温かいまたは熱いダークマターに似た振る舞いを生み出し、銀河団スケールで追加の質量を可能にし、MONDが重力の強さを過小評価し、宇宙マイクロ波背景放射などダークマターでよく説明できる現象を再現することを可能にします。

超流動真空理論（SVT）は、理論物理学および量子力学におけるアプローチであり、物理的な真空を超流動体とみなすものである。^{[ 20 ] [ 21 ]}

このアプローチの究極の目標は、量子力学（既知の4つの基本相互作用のうち3つを記述する）と重力を統一する科学モデルを開発することである。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る。

このような理論が発展することで、すべての基本的な相互作用を単一の一貫したモデルに統合し、既知のすべての相互作用と素粒子を、超流動真空という同一の実体の異なる現れとして記述できるようになることが期待される。

マクロスケールでは、ムクドリの大群の群れの中で、より大きな同様の現象が起こっていると示唆されている。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性につながる相変化を模倣している。^{[ 22 ]}

• ブージム（超流動性）
• 凝縮系物理学
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• スローライト
• 超固体
• 二流体モデル

• Khalatnikov, Isaac M. (2018). An Introduction To The Theory Of Superfluidity. Boulder: CRC Press. ISBN 978-0-42-997144-0.
• Annett, James F. (2005). Superconductivity, Superfluids and Condensates (Repr ed.). Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850756-7.
• Schmitt, Andreas (2015). Introduction to Superfluidity: Field-theoretical Approach and Applications. Cham: Springer. ISBN 978-3-319-07947-9.
• Guénault, Tony (2003). Basic Superfluids. London: Taylor & Francis. ISBN 978-0-7484-0891-7.
• Svistunov, Boris V.; Babaev, Egor S.; Prokof'ev, Nikolay (2015). Superfluid States of Matter. Hoboken: CRC Press. ISBN 978-1-4398-0276-2.
• Volovik, Grigory E. (2003). The Universe in a Helium Droplet (Repr ed.). Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850782-6.

• Quotations related to Superfluidity at Wikiquote
• Media related to Superfluidity at Wikimedia Commons
• Video: Demonstration of superfluid helium (Alfred Leitner, 1963, 38 min.)
• Superfluidity seen in a 2d fermi gas recent 2021 observation relevant for Cuprate superconductors