Eine Supraflüssigkeit ist eine Materiephase, die ohne Energieverlust endlos fließen kann. Diese Eigenschaft bestimmter Isotope wurde 1937 von Pjotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen und Don Misener entdeckt. Sie wurde bei sehr niedrigen Temperaturen mit mindestens zwei Heliumisotopen, einem Rubidiumisotop und einem Lithiumisotop erreicht.
Nur Flüssigkeiten und Gase können Suprafluide sein. Der Gefrierpunkt von Helium beträgt beispielsweise 1 K (Kelvin) und 25 Atmosphären Druck, der niedrigste aller Elemente, aber die Substanz beginnt bei etwa 2 K, suprafluide Eigenschaften zu zeigen. Der Phasenübergang findet statt, wenn alle konstituierenden Atome einer Probe beginnen den gleichen Quantenzustand einnehmen. Dies geschieht, wenn die Atome sehr nahe beieinander platziert und so stark abgekühlt werden, dass sich ihre Quantenwellenfunktionen zu überlappen beginnen und die Atome ihre individuelle Identität verlieren und sich eher wie ein einzelnes Superatom denn wie eine Ansammlung von Atomen verhalten.
Ein limitierender Faktor, bei dem Materialien Suprafluidität aufweisen können und bei denen nicht, besteht darin, dass das Material sehr sehr kalt sein muss (weniger als 4 K) und bei dieser kalten Temperatur flüssig bleiben muss. Materialien, die bei niedrigen Temperaturen fest werden, können diese Phase nicht einnehmen. Beim Abkühlen auf sehr niedrige Temperaturen bildet sich ein suprafluidbereiter Satz von Bosonen, Atomen mit einer geraden Anzahl von Nukleonen, zu einem Bose-Einstein-Kondensat, einer suprafluiden Materiephase. Wenn Fermionen, Atome mit einer ungeraden Nukleonenzahl wie das Helium-3-Isotop, auf wenige Kelvin abgekühlt werden, reicht dies nicht aus, um diesen Übergang zu bewirken.
Da nur Bosonen leicht zu einem Bose-Einstein-Kondensat werden können, müssen sich Fermionen zuerst paaren, um eine Supraflüssigkeit zu werden. Dieser Prozess ähnelt der Cooper-Paarung von Elektronen, die in Supraleitern auftritt. Wenn zwei Atome mit einer ungeraden Anzahl von Nukleonen sich paaren, besitzen sie zusammen eine gerade Anzahl von Nukleonen und beginnen, sich wie Bosonen zu verhalten und zu einem suprafluiden Zustand zu kondensieren. Dies wird als Fermionenkondensat bezeichnet und tritt nur bei mK (MilliKelvin) Temperaturniveau und nicht bei einigen Kelvin aus. Der Hauptunterschied zwischen der Atompaarung in einer Supraflüssigkeit und der Elektronenpaarung in einem Supraleiter besteht darin, dass die Atompaarung durch Quantenspinfluktuationen und nicht durch Phononen (Schwingungsenergie)-Austausch vermittelt wird.
Superfluide haben einige beeindruckende und einzigartige Eigenschaften, die sie von anderen Materieformen unterscheiden. Da sie keine innere Viskosität haben, bleibt ein Wirbel, der sich in einem gebildet hat, für immer bestehen. Ein Suprafluid hat keine thermodynamische Entropie und eine unendliche Wärmeleitfähigkeit, was bedeutet, dass zwischen zwei Suprafluiden oder zwei Teilen desselben kein Temperaturunterschied bestehen kann. Sie können auch in einer ein Atom dicken Schicht aus einem Behälter klettern, wenn der Behälter nicht verschlossen ist. Ein konventionelles Molekül, das in eine Supraflüssigkeit eingebettet ist, kann sich mit voller Rotationsfreiheit bewegen und sich wie ein Gas verhalten. Weitere interessante Eigenschaften können in Zukunft entdeckt werden.
Die meisten sogenannten Superfluide sind nicht rein, sondern sind tatsächlich eine Mischung aus einer Fluidkomponente und einer Superfluidkomponente. Die potentiellen Anwendungen von Suprafluiden sind nicht so spannend und breit gefächert wie die von Supraleitern, aber Verdünnungskühlschränke und Spektroskopie sind zwei Bereiche, in denen sie Anwendung gefunden haben. Die vielleicht interessanteste Anwendung ist heute rein lehrreich und zeigt, wie Quanteneffekte unter bestimmten extremen Bedingungen makroskopisch werden können.