Fizyka niskich temperatur: nadprzewodnictwo i nadciekłość.

Dział fizyki badający własności ciał w niskich i bardzo niskich temperaturach to kiofizyka.
Za temperatury niskie uznaje się niższe niż temperatura wrzenia azotu pod ciśnieniem jednej atmosfery, tj. 77,35K. Temperatury bardzo niskie są niższe niż 1K. W bardzo niskich temperaturach obserwowane są takie zjawiska jak nadprzewodnictwo i nadciekłość (nadpłynność).
Nadprzewodnictwo to cecha przewodnika elektrycznego, polegająca na tym, że
w pewnych warunkach ma on zerową rezystancję. Innymi ważnymi zjawiskami zachodzącymi w nadprzewodnikach są: wypychanie pola magnetycznego (efekt Meissnera) oraz kwantowanie strumienia magnetycznego przechodzącego przez nadprzewodzącą pętle. Większość przewodników wykazuje nadprzewodnictwo dopiero w temperaturze bliskiej zera absolutnego, czyli 0 K.
Rozróżnia się dwa zasadnicze rodzaje nadprzewodnictwa:
· nadprzewodnictwo niskotemperaturowe - odkryte w 1911 przez holenderskiego fizyka Kamerlingha-Onnesa (Nagroda Nobla w 1913) dla rtęci. Występuje w temperaturach poniżej 30 kelwinów, dla czystych metali i stopów metalicznych będących w większości nadprzewodnikami I-go rodzaju. Nadprzewodnictwo to jest dobrze opisywane przez teorię BCS.
Metal TC [K]
Al 1,2
In 3,4
Sn 3,7
Hg 4,2
Ta 4,5
V 5,4
Pb 7,2
Nb 9,3
· nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe - zaproponowane przez Bednorza
· i Mllera w 1986 roku. Występuje w temperaturze powyżej 30 kelwinów, ten typ nadprzewodnictwa wykazują materiały tlenkowe o charakterze ceramik i będące nadprzewodnikami II-go rodzaju. Na razie nie ma teorii wyjaśniającej to zjawisko. Najwyższa temperatura krytyczna wynosi obecnie 138 K dla związku (Hg0.8Tl0.2)Ba2Ca2Cu3O8.33.

Nadciekłość to stan materii, charakteryzujący się całkowitym zanikiem lepkości. Materia w stanie nadciekłym, puszczona w ruch w dowolnym obiegu zamkniętym, może w nim krążyć bez końca, bez żadnego dodatkowego nakładu energii. Zjawisko to zostało odkryte przez Piotra Kapicę, Johna F Allena i Dona Misenera w 1937 r.
Zjawisko nadciekłości wynika ze szczególnych kolektywnych zjawisk kwantowych występujących w cieczach znajdujących się w bardzo niskiej temperaturze. Na przykład dla izotopu helu 4He, obserwowana jest poniżej temperatury 2,17 K (-270,98 C), zaś dla helu-3 temperatura ta wynosi 2,6 mK, czyli tylko o kilka tysięcznych kelwina więcej od temperatury absolutnego zera. Jakkolwiek w obu tych przypadkach zjawisko to daje taki sam efekt makroskopowy, przyczyna nadciekłości jest inna. Atomy helu-4 są z formalnego punktu widzenia bozonami (choć nie są nimi w ścisłym znaczeniu tego słowa) i dlatego ich nadciekłość może być tłumaczona faktem generowania kondensatu Bose-Einsteina przez ten układ. Natomiast atomy helu-3 są fermionami, a ich własności w stanie nadciekłym mogą być raczej tłumaczone za pomocą mechanizmów matematycznych transformacji Bogoliubowa uzywanej także w teorii BCS, stworzonej na potrzeby wyjaśnienia zjawiska nadprzewodnictwa. Zjawisko nadciekłości helu jest szeroko stosowane do osiągania niskich temperatur w eksperymentach chemicznych i fizycznych, a także w przemyśle.