[include(틀:응집물질물리학)]
[[파일:external/ltl.tkk.fi/3HePhaseDiagram2DNew.gif]]

== 개요 ==
[include(틀:물질의 상태)]

초유동체([[超]][[流]][[動]][[體]], superfluid) 또는 초유체(超流體)는 [[점성]](粘性)과 [[표면장력]]이 전혀 없고, 흐를 때 소용돌이가 존재하지 않는 액체의 상태를 말한다.

액체 [[헬륨]]에서 발견된 현상이다. 액체 헬륨은 두 가지로 구분되는데 끓는점(4.22 K) 이하에서 람다(λ) 온도 사이의 헬륨을 헬륨I이라 부르고, 람다 온도 이하의 헬륨을 헬륨II라고 부른다. 질량수 4의 ^^4^^He의 람다 온도는 2.1768K이고, 질량수 3의 ^^3^^He의 람다 온도는 0.0027K이다. 과학자들은 이 람다 온도의 차이를 이용하여 초유동 현상의 원리를 설명하고 있는데, [[초전도체]]처럼 양자 세계의 현상이 거시 세계에서 작동하는 예외적이며 대표적인 사례 가운데 하나다.

He4와 같은 [[보손]] 초유체는 보스가 제안하고 이후 아인슈타인이 뒷받침한 [[보스-아인슈타인 통계]], [[보스-아인슈타인 응집]]을 따른다.

어떤 물리계가 절대온도로서의 0도에 근접하면 모든 원자가 하나의 양자적 상태에 수렴하여, 마치 하나의 원자처럼 행동한다는 것인데, 이것은 둘 이상의 입자가 동일 양자 상태에 존재하는 것이 가능하기 때문이다. 또한 양자적 입자의 이러한 분포 현상을 보스-아인슈타인 통계라고 한다. 더해서 레이저로 원자의 운동을 억제, 온도를 극도로 낮춰 보스-아인슈타인 응집 상태를 이룰 수 있다는 연구로 스티븐 추 등이 1997년 노벨상을 수상했다.

He3과 같은 [[페르미온]] 초유체는 페르미-디랙 분포를 따르며 [[파울리 배타 원리]]와 관계가 깊다. 배타 원리란, 짧게 요약해서, 전자와 같은 입자의 경우에는 동일한 두 입자는 동일한 양자상태에 존재할 수 없다는 것인데, 페르미는 이로부터 보스-아인슈타인 분포와는 다른 새로운 입자 분포함수를 얻었다. 같은 1926년에는 [[폴 디랙]]이 이런 분포를 더욱 연구하여 이 분포를 페르미-디랙 통계라 한다.

위와 같은 페르미온-보손 초유체는 이후 파울리에 의해 분류되었다. 그는 [[정수]] [[스핀(물리학)|스핀]](보손)의 입자들은 보스-아인슈타인 통계를 따르고 [[정수가 아닌 유리수|반정수]] 스핀(페르미온)의 입자들은 페르미-디랙 통계를 따른다 하였다. 

더해서 보스 분포를 따르는 보손 입자들은 동일 양자 상태에 존재할 수 있으나, 페르미 분포를 따르는 페르미온 입자들은 파울리 배타 원리에 의거, 동일 양자상태에 존재할 수 없음이 밝혀졌다.

[[파일:external/upload.wikimedia.org/Liquid_helium_Rollin_film.jpg]]

초유동 현상은 헬륨II에서 일어나는 현상인데, 액체가 점성이 존재하지 않는 점 때문에 다양한 현상이 발생한다. 마찰을 거의 무시하며, 분자 간 인력이 없고, 액체를 가두는 분자와의 인력이 더 커서 얇은 박막 상태로도 흐르며, 심지어는 플라스크 비커를 타고 올라가 바깥으로 떨어지기도 한다. 매우 작은 구멍도 통과하고, 물결이 치지 않는 것이 대표적인 현상이다.

이로 인해 중력, 빛 등의 작은 원인에도 민감한 움직임을 보인다. 헬륨II를 담은 큰 용기 안에 작은 용기를 넣으면, 용기가 완전히 잠기지도 않았는데 작은 용기 안으로 작은 용기의 외부면을 넘어 헬륨이 흘러들어가고, 이 용기를 큰 용기 밖으로 꺼내서 약간 띄워두면 헬륨II가 작은 용기의 면을 타고 밖으로 흘러나가 큰 용기로 내려가는 현상이 잘 알려져 있다. 이러한 성질 때문에, [[CERN]]에서 초전도체 자석의 냉각 용매로 헬륨 초유동체를 사용한다. 

초유동 현상은 마찰을 무시한다는 장점은 있지만 다루기 힘들어 초전도체와는 달리 산업용으로는 그다지 주목받지 못한다. 일반인들에게도 초전도체에 비해 인지도가 매우 낮다.

== 초고체 ==
고체에서 초유동 현상이 발생하면 초고체(supersolid)라고 한다. 뭔가 엄청 단단한 고체일 것 같지만 사실은 초유동체 + 고체이므로 단단함과는 상관없다.

1957년 미국의 이론물리학자 유진 그로스가 초고체의 존재를 처음으로 예측했다. 2004년 펜실베이니아주립대 모제스 챈 교수와 대학원생 김은성이 '비틀림 진동자'라는 기구를 이용해 고체 헬륨에서 초고체 현상을 발견해냈다고 발표했다. 김은성은 현재 카이스트 교수로 초고체를 계속 연구하고 있으나, 챈이 훗날 이 실험에 오류가 있었다고 주장하면서 현재는 두 사람의 의견이 갈라진 상태이다.

현재는 양자 기체에서 물질의 밀도 변이가 주기적인 상태를 유도하는 방식으로 초고체를 발견해내는 방향이 설득력을 얻고 있다.

[[분류:상(물질)]]