He-4相图，可见只有在25大气压以上液氦-4才能固化

【提交者: jiyanjiang】液He-4超流

实验发现如果用真空泵持续降低液He-4（总自旋为0，是玻色子）的蒸气压，使其温度降低，在2.17K将发生相变，在相变点附近比热有一尖峰，形状很象希腊字母λ，因此称为λ相变，2.17K称为λ点，温度高于λ点，液He的性质是正常的，称为液He I，温度低于λ点，称为液He II，即He-4的超流相。

1938年，卡皮查和艾伦等同时发现了He II超流。He II能以每秒几厘米的速度流过两块压紧的抛光玻璃表面所形成的缝隙（~10^-5 - 10^-4cm）。液He II能够流过毛细管或狭缝而不呈现出任何粘滞性，这种性质称为超流。

实验表明λ相变是热力学二级相变（自由能一级微商连续，但二级微商不连续）。λ相变不能完全用玻色-爱因斯坦凝聚来解释，理论计算表明玻色-爱因斯坦凝聚发生在3.13K而非2.17K，并且玻色-爱因斯坦凝聚是三级相变。更严重的是，玻色-爱因斯坦凝聚无法解释超流现象。

液He-4超流，可以用朗道理论解释。液He中，相互作用的多原子体系是一个具有特定量子态和能量本征值的整体。低温时，只有低激发态的行为对系统有影响。低激发态可看作是若干具有一定动量p和能量E(p)的准粒子（或元激发）在物体内的运动。因而原子间的相互作用被归于准粒子的能谱E(p)，相互作用多原子体系变为准粒子组成的理想气体。

为了解释超流，朗道猜测液He-4的准粒子谱中存在极小值（如图），后该预言被非弹性中子散射实验证实。即液He中有两种元激发，一种是声子元激发：E(p)=cp，这里c是声速，实验值为约239m/s，另一种是旋子元激发：E(p)=Δ+(p-p₀)²/2m^*，这里Δ是能隙，m^*是有效质量。

根据郎道超流理论，当液He-4在毛细管中流动时，只要流速不超过临界速度，液体内就不会产生新的元激发，即液体流速不会减漫，表现为粘滞系数为0。

液He-3超流

1972年Osheroff等发现在液He-3溶解曲线（固相和液相分界线）上，在2.6mk和2.0mk处有两个相变点，新出来的相是液He-3的超流相。相图显示：在34个大气压以上He-3处于固相；低于34个大气压处于液相，液相又可分为正常相、超流A相和B相。正常相到A相或B相的转变是二级相变，A相到B相的转变是一级相变。

He-3原子的电子总自旋为0，核自旋为1/2，是费米子。因此我们无法用液He-4超流理论解释液He-3超流，但液He-3正常相可以用费米液体理论（Fermi liquid theory）解释，这启发理论家用超导电性的BCS理论解释液He-3超流。

在液He-3费米面附近具有相等相反动量He-3原子，通过液He-3的自旋极化，可在粒子之间产生吸引的有效相互作用，形成配对，超流部分对应的就是这些束缚配对。但与BCS电子配对不同的是：由于原子间存在强的近距排斥作用，构成束缚对的两粒子相对轨道运动处在非零的l=1态，能量才是有利的，为保证费米子波函数交换反对称，自旋部分波函数必须是对称的，即自旋是平行配对（BCS是自旋反平行配对）的。

配对后的He-3原子在费米面上形成能隙Δ（该能隙可是各向异性的），如果要拆散这一配对则需2Δ的能量。假设所有束缚对都以相同质心速度定向运动，则在低温下束缚对很难被破坏掉，即表现为粘滞系数为0。

参考资料：
物理学词典，低温物理学分册，科学出版社；1984
2003年诺贝尔物理奖：第II类超导体与He3超流理论

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