Het verhaal van supervloeistoffen begon met de ontdekking van helium in 1895, het lichtste edelgas dat we kennen. Een heliumatoom is bijna volmaakt symmetrisch. Helium reageert nergens mee. Pas op vier graden kelvin, dus vier graden Celsius boven het absolute nulpunt, (het absolute nulpunt, nul K, is -273,15 graden Celsius) wordt het gas vloeibaar.

Er bestaan geen stoffen met een lager verdampingspunt. Geen wonder dat helium gedurende enkele jaren het enige gas was dat niet in een vloeistof kon worden veranderd. Kamerlingh Onnes lukte dit uiteindelijk in het Leidse koudelab in 1908 door helium af te koelen tot één kelvin, de koudste temperatuur tot dan toe ooit bereikt. 

In de jaren daarna ging Kamerlingh Onnes en anderen door met het experimenteren met vloeibaar helium. Ze ontdekten een aantal merkwaardige eigenschappen van het goedje. Onder de 2,17 kelvin verandert normaal vloeibaar helium (helium I) namelijk in een merkwaardige stof, helium II, met eigenschappen die afwijken van alle andere vloeistoffen.

Zo is de viscositeit, de stroperigheid, van deze supervloeistof nul. Als de Atlantische Oceaan gevuld was met supervloeistof kon je een schip in, zeg, Shannon in Ierland een stevige zet geven en zou dit zonder motor of zeil met precies dezelfde snelheid aankomen in New York. Wel zou je het schip dan hermetisch moeten afsluiten, want de supervloeistof zou omhoog kruipen langs het scheepsoppervlak tot het topje van de mast. Bijsturen is er ook al niet bij. Hoe hard je ook roeit, er is niets om je tegen af te zetten. Je zou dan een soort raketmotor moeten gebruiken. Wel is er dan een ander vervelend probleem. Supervloeistof geleidt warmte namelijk extreem goed. Een sloot helium in je raketmotor gooien, in werking zetten en snel maken dat je binnen komt dus.

Het is onmogelijk om door afkoelen de supervloeistof in heliumijs te veranderen. Zelfs op het absolute nulpunt blijft helium II vloeibaar. Alleen door het samen te drukken tot ongeveer 25 atmosfeer verandert het in heliumijs.

De reden dat supervloeistof zich zo absurd gedraagt is kwantummechanisch van aard. Van een deeltje kan niet precies de plaats en de energie tegelijkertijd precies bekend zijn. Als een atoom zich vlak bij het absolute nulpunt bevindt, is de energie heel nauwkeurig bekend: bijna nul. Dus verandert het in een wazige vlek, want de plaats wordt dan heel onzeker. De atomen gaan elkaar dan overlappen. Hun golffuncties vallen samen, het zijn geen afzonderlijke atomen meer maar een soort collectief, een Bose-Einstein condensaat. Dit geldt vooral voor lichte atomen die nauwelijks met elkaar reageren. We kennen maar één voorbeeld van een dergelijke stof: helium, al lukt het maken van een Bose-Einstein condensaat ook met wolkjes extreem koude zware atomen. Waaarmee ook huzarenstukjes te bereiken zijn zoals het vrijwel stilzetten van licht, maar daarover later meer. 

Er zijn tot nu toe twee supervloeistoffen ontdekt: een bestaande uit helium-4 atomen en een helium-3 variant, waarbij paren van helium-3 atomen de vloeistof vormen. (Paren, omdat voor een Bose-Einstein condensaat de deeltjes uit een even aantal fermionen moeten bestaan. Fermionen is natuurkundigengeheimtaal voor protonen, neutronen en elektronen. Bosonen, zoals lichtdeeltjes, kan je wel ongegeneerd op elkaar proppen, ze mekkeren nooit). Helium-3 is een zeer zeldzame, lichtere variant van helium. Met heel veel kunst-en vliegwerk is het gelukt heel weinig waterstof in een supervloeistof te veranderen. Met spectaculaire gevolgen overigens: volgens computersimulaties wordt onder extreem hoge druk (miljoenen atmosfeer) waterstof zowel een supervloeistof als een supergeleider.

Maar al komt supervloeistof maar voor in twee (of drie) smaken, het is en blijft opmerkelijk interessant spul.

Meer lezen

• Supervloeistof kruipt decimeter omhoog (video)
• Waterstof: supervloeistof en supergeleider?
• Superfluïditeit (Nederlands)