Superfluïditeit: vloeistof zonder wrijving

Bijgewerkt: 8 september 2026 · 6 min leestijd

Stel je een kopje thee voor waarin je met een lepeltje ronddraait. Na een tijdje remt de wrijving in de vloeistof de beweging af totdat alles stilstaat. Bij vrijwel elke vloeistof is dat vanzelfsprekend: ze hebben viscositeit, oftewel interne wrijving, die beweging tegenwerkt. Er bestaat echter een uitzonderlijke toestand van materie waarin die wrijving volledig verdwijnt. Zet zo'n vloeistof in een gesloten ringvormige buis in beweging, en hij blijft — in principe — voor altijd stromen, zonder ooit energie te verliezen. Die bijzondere toestand heet superfluïditeit.

Superfluïditeit treedt op wanneer bepaalde stoffen worden afgekoeld tot temperaturen vlak boven het absolute nulpunt (-273,15 °C, oftewel 0 kelvin). Op dat punt gedragen de deeltjes van de vloeistof zich niet langer als een chaotische zwerm losse bolletjes, maar als één samenhangend geheel dat kwantummechanische wetten laat zien op een schaal die je met het blote oog kunt waarnemen. Het bekendste voorbeeld is vloeibaar helium: het kruipt dwars door kiertjes die voor gewone vloeistoffen ondoordringbaar zijn, klimt tegen de wand van een bakje omhoog en kan zelfs een fontein vormen wanneer je het met een lichtstraaltje verwarmt.

Wat is het precies?

Om superfluïditeit te begrijpen, helpt het om eerst te kijken naar gewone koeling. Koel je een gas af, dan wordt het eerst vloeibaar en bij nog lagere temperatuur vaak vast. Helium is een uitzondering: het blijft bij normale druk vloeibaar tot vlakbij het absolute nulpunt en wordt nooit vanzelf vast. Koel je helium-4 (de meest voorkomende variant van het element) af tot onder 2,17 kelvin — zo'n 271 graden onder nul — dan gebeurt er iets vreemds. De vloeistof splitst zich, zo stelden natuurkundigen voor, in twee met elkaar vermengde componenten: een gewone, viskeuze component en een superfluïde component zonder enige wrijving. Dit staat bekend als het tweevloeistoffenmodel, ontwikkeld door onder anderen Lev Landau en László Tisza.

De diepere verklaring ligt in de kwantummechanica. Heliumatomen zijn zogeheten bosonen, deeltjes die volgens de kwantumregels in grote aantallen exact dezelfde kwantumtoestand mogen innemen. Bij extreem lage temperatuur 'vallen' vrijwel alle atomen in diezelfde laagste energietoestand — een fenomeen dat een Bose-Einstein-condensaat heet. Omdat alle deeltjes dan als één golf bewegen in plaats van als losse individuen, is er niets meer dat interne wrijving kan veroorzaken.

Er bestaat ook een zeldzamere isotoop, helium-3, met één neutron minder. Die atomen zijn geen bosonen maar fermionen, die zich normaal juist niet in dezelfde toestand mogen bevinden. Helium-3 wordt daardoor pas superfluïde bij een nog veel lagere temperatuur, rond de 0,0025 kelvin — twee tot drie duizendste graad boven het absolute nulpunt. Dat lukt alleen doordat twee heliumatomen zich paarsgewijs aan elkaar binden tot zogeheten Cooper-paren, vernoemd naar hetzelfde mechanisme dat elektronen in supergeleiders laat samenwerken. Zulke paren gedragen zich weer wél als bosonen en kunnen dus samen condenseren.

Een ander kenmerk van superfluïden is dat ze niet zomaar kunnen roteren zoals een gewone vloeistof. Draaiing kan alleen ontstaan via minuscule, kwantumfysisch vastgelegde 'wervelbuisjes' — quantumwervelingen genoemd — die elk exact dezelfde, gekwantiseerde hoeveelheid rotatie bevatten. Dat is een direct, meetbaar bewijs dat er hier kwantummechanica op macroscopische schaal aan het werk is.

Wat wil men ermee bereiken?

Superfluïditeit is in de eerste plaats een venster op de kwantummechanica van veel-deeltjessystemen. Normaal gesproken zijn kwantumeffecten alleen zichtbaar op de schaal van individuele atomen; bij superfluïden worden ze zichtbaar in een reageerbuisje op je bureau. Dat maakt het een ideaal laboratorium om fundamentele vragen over kwantumgedrag te testen.

Onderzoekers gebruiken ultrakoude superfluïde gassen ook als kwantumsimulator: een systeem dat zich hetzelfde gedraagt als een ander, veel moeilijker te berekenen kwantumsysteem. Door met lasers en magneetvelden de eigenschappen van een wolkje ultrakoude atomen te sturen, kunnen wetenschappers processen nabootsen die in de natuur alleen voorkomen in bijvoorbeeld hogetemperatuursupergeleiders of het binnenste van neutronensterren — systemen die met een gewone computer niet exact door te rekenen zijn.

Er is ook een heel praktisch belang. Het mengsel van helium-3 en helium-4 vertoont bij lage temperatuur een faseseiding die wordt gebruikt in zogeheten mengkoelers (dilution refrigerators): apparaten die nodig zijn om supergeleidende quantumchips te koelen tot enkele duizendsten van een graad boven het absolute nulpunt. Zonder deze koeltechniek, die rechtstreeks voortbouwt op de fysica van superfluïde helium-mengsels, zou moderne kwantumcomputertechnologie niet werken.

Daarnaast hoopt men superfluïde eigenschappen te benutten voor extreem gevoelige sensoren, zoals rotatiemeters (gyroscopen) die dankzij de gekwantiseerde wervelingen in principe nauwkeuriger kunnen zijn dan klassieke instrumenten.

Voorbeelden uit de praktijk

1938 — ontdekking in helium-4. De Russische natuurkundige Pjotr Kapitsa en, onafhankelijk van hem, de Canadese onderzoekers John F. Allen en Don Misener in Cambridge toonden aan dat vloeibaar helium-4 onder 2,17 kelvin wrijvingsloos stroomt. Kapitsa introduceerde de term 'superfluïditeit' en ontving hiervoor later de Nobelprijs voor de Natuurkunde (1978).

1972 — ontdekking in helium-3. Aan Cornell University vonden David Lee, Douglas Osheroff en Robert Richardson dat ook helium-3 superfluïde wordt, zij het pas bij duizenden keren lagere temperatuur. Deze ontdekking leverde hen in 1996 de Nobelprijs op.

1995 — Bose-Einstein-condensaten van atomen. Eric Cornell en Carl Wieman (JILA, Boulder) en kort daarna Wolfgang Ketterle (MIT) koelden wolkjes rubidium- en natriumatomen af tot enkele nanokelvin en zagen ze condenseren in de voorspelde kwantumtoestand. In deze condensaten zijn nadien quantumwervelingen rechtstreeks gefotografeerd — zichtbaar bewijs van superfluïditeit. Dit werk leverde in 2001 de Nobelprijs op.

Mengkoelers voor kwantumcomputers (vanaf jaren zeventig, nu op grote schaal). Bedrijven als Bluefors (Finland) en Oxford Instruments (VK) bouwen mengkoelers die worden gebruikt door onder meer IBM en Google om hun supergeleidende qubits tot rond de 10-15 millikelvin te koelen, gebruikmakend van de faseseiding tussen superfluïde helium-3 en helium-4.

NASA's Cold Atom Lab (sinds 2018). Aan boord van het internationale ruimtestation ISS onderzoeken wetenschappers Bose-Einstein-condensaten in microzwaartekracht, waar ze langer en in een andere vorm bestudeerd kunnen worden dan op aarde.

Pulsar-'glitches' als indirect bewijs. Astronomen zien bij neutronensterren soms plotselinge, kleine versnellingen in hun rotatiesnelheid. De meest gangbare verklaring is dat het binnenste van een neutronenster grotendeels bestaat uit superfluïde neutronenmaterie, waarbij vastzittende quantumwervelingen zich plotseling losmaken en zo de ster laten versnellen.

Hoe ver is de techniek?

De kernfysica van superfluïditeit in helium is inmiddels bijna een eeuw oud en behoort tot de best onderbouwde hoofdstukken van de moderne natuurkunde. Het is geen speculatieve technologie, maar gevestigde wetenschap die dagelijks in laboratoria wereldwijd wordt toegepast, onder meer in de koeltechniek voor kwantumcomputers.

Aan de onderzoeksgrens gebeurt echter nog volop nieuws. Tussen 2017 en 2019 lieten groepen aan onder meer ETH Zürich, de Universiteit van Innsbruck en MIT voor het eerst zogeheten supersolids zien: een toestand die tegelijk superfluïde stroomt én een vaste, kristalachtige structuur heeft — twee eigenschappen die intuïtief onverenigbaar lijken. Ook wordt onderzocht of licht zich, opgesloten in speciale halfgeleiderstructuren samen met elektronen (zogeheten exciton-polaritonen), superfluïde kan gedragen; dit 'superfluïde licht' is nog een actief en niet volledig begrepen onderzoeksveld.

De grootste praktische horde blijft de temperatuur zelf. Temperaturen van millikelvin tot nanokelvin bereiken en vasthouden vergt dure, technisch complexe apparatuur, wat brede toepassing buiten gespecialiseerde laboratoria en de quantumcomputerindustrie voorlopig in de weg staat. Ook het bewijs voor superfluïditeit in neutronensterren blijft indirect: niemand kan er metingen ter plaatse doen, dus de modellen worden getoetst via waarnemingen op afstand en blijven onderwerp van discussie onder astrofysici.

Wie werken eraan?

Nederland heeft een historische rol: aan de Universiteit Leiden lukte het Heike Kamerlingh Onnes in 1908 voor het eerst om helium vloeibaar te maken, het startpunt van de hele lagetemperatuurfysica. Het Kamerlingh Onnes Laboratorium doet nog altijd onderzoek op dit gebied.

Internationaal spelen onder meer Cornell University en JILA/University of Colorado Boulder (Verenigde Staten) een voortrekkersrol bij ultrakoude atoomfysica, evenals MIT. Lancaster University en de University of Aalto (Finland, met het gerenommeerde Low Temperature Laboratory) zijn toonaangevend in helium-3-onderzoek. In Oostenrijk en Zwitserland doen de Universiteit van Innsbruck en ETH Zürich baanbrekend werk aan supersolids en dipolaire quantumgassen.

Op het gebied van toepassingen leveren de Finse onderneming Bluefors en het Britse Oxford Instruments het merendeel van de mengkoelers die wereldwijd in quantumcomputerlaboratoria staan, onder meer bij IBM en Google. NASA's Jet Propulsion Laboratory beheert het Cold Atom Lab op het ISS. Onderzoek naar superfluïde neutronensterren wordt vooral gedreven door astrofysische instituten die gebruikmaken van röntgen- en radiotelescoopdata, verspreid over de VS, Europa en Australië.