Virtauspyörteet ovat meille tuttuja esimerkiksi siitä, kun vesi virtaa joessa esteen ohi tai tyhjentyvästä ammeesta. Hieman toisenlainen tapaus esiintyy vesilasissa, joka pannaan pyörivälle alustalle. Tietyn alkuhitauden jälkeen vesi alkaa pyöriä tasaisesti lasin mukana. Määrittelemme että myös tämä virtaus on pyörteistä, koska virtausnopeus reunoilla on suurempi kuin keskellä.
On olemassa joukko nesteitä joita kutsutaan suprajuokseviksi nesteiksi eli supranesteiksi. Supranesteet voivat virrata ohuiden kanavien läpi ilman viskositeettiä. Kuitenkin supranesteiden perustavampi erityisluonne kuin virtaushäviöiden puuttuminen on niiden käyttäytyminen pyöritettäessä. Toisin kuin yllämainittu veden pyöriminen lasissa, supranesteiden pyöriminen on aina epähomogeenista (kuva). Supranesteen virtaus kiertää kvantisoituja vorteksiviivoja. Vorteksiviivat on näytetty kuvassa keltaisella ja niiden ympäri kulkeva virtaus on osoitettu nuolella. Itse vorteksiviivoja lukuunottamatta virtaus on pyörteetöntä sillä virtaus on nopeampaa lähellä viivaa kuin kauempana. [Matemaattisesti ilmaistuna rot v = 0, missä v(r) on nopeuskenttä.]
Virtausnopeus kunkin vorteksiviivan ympäri määräytyy vakiosta h/m, missä h on Planckin vakio ja m yhden atomin massa. Planckin vakio tulee kuvaan koska vorteksien ilmestyminen johtuu kvanttimekaniikasta. h on hyvin pieni mutta niin on myös m, joten h/m on aivan makroskooppinen. Nesteen supratila on siis kvanttimekaaninen ilmiö joka tulee näkyviin makroskooppisessa mittakaavassa. Vorteksien lukumäärä riippuu vakiosta h/m. Astiassa, jonka säde on 1 cm, on noin 1000 vorteksiviivaa kun se pyörii yhden kierroksen minuutissa.
Suprajuoksevuus esiintyy vain matalissa lämpötiloissa. Parhaiten tunnettuja supranesteitä ovat heliumin kaksi isotooppia, 3He ja 4He. Merkkejä supratilasta on myös löydetty kylmistä atomikaasuista. Läheistä sukua suprajuoksevuudelle on suprajohtavuus, joka esiintyy useissa metalleissa matalissa lämpötiloissa. Vastaten nesteen kitkatonta virtausta, suprajohde voi johtaa sähkövirtaa ilman vastusta. Supranesteen vorteksiviivat ovat analogisia suprajohteen vuoviivojen kanssa. Vuoviivoja esiintyy ns. toisen lajin suprajohteissa kun ne asetetaan magneettikenttään. Suprajuoksevan tilan uskotaan vallitsevan myös neutronitähtien sisällä.
Supraneste 3He:n vortekseilla on useita erilaisia rakenteita.
Takaisin heliumteoriasivulle, takaisin heliumsivulle
19.8.2003, Erkki Thuneberg, Email, English