અતિતરલતા (superfluidity) : અતિ નીચા તાપમાને પ્રવાહી હીલિયમ(He)નું ઘર્ષણરહિત પ્રવાહ રૂપે વહન. ‘અતિતરલતા’ શબ્દપ્રયોગ સૌપ્રથમ રશિયન વૈજ્ઞાનિક કેપિટ્ઝાએ 1938માં યોજ્યો હતો. એક વાતાવરણના દબાણે 4.2 K તાપમાને હીલિયમ વાયુ પ્રવાહી બને છે. આ તાપમાન કોઈ પણ પદાર્થના ઉત્કલનબિંદુ કરતાં નીચામાં નીચું છે. 4.2 K અને 2.19 Kની વચ્ચે પ્રવાહી હીલિયમ સામાન્ય પ્રવાહીની જેમ જ વર્તે છે, પરંતુ 2.19 Kની નીચે તેના બધા જ ભૌતિક ગુણધર્મોમાં આશ્ચર્યજનક ફેરફારો થાય છે. તેના Q (અંતર્નિહિત ઉષ્મા, heat content) મૂલ્યમાં અકલ્પ્ય ઘટાડો થાય છે. તેની વિશિષ્ટ ઉષ્મા (specific heat) Cv અને તાપમાન Tનો આલેખ દોરવામાં આવે તો 2.19 K તાપમાને આલેખ અસંગતિ દર્શાવે છે અને તેમાં શૃંગ (peak) રચાય છે. આલેખનો આકાર ગ્રીક મૂળાક્ષર લેમ્ડા જેવો હોઈ આ સંક્રમણ (transition) તાપમાનને લેમ્ડા બિંદુ (λ point) કહે છે. લેમ્ડા બિંદુ તાપમાનની નીચે વિશિષ્ટ ઉષ્મા T3ને સમપ્રમાણ હોય છે. આ સંબંધ ખરેખર તો ઘન પદાર્થ માટે જ પળાય છે. એટલે કે 0 K તાપમાનની નજીક હીલિયમ ઘન પદાર્થ તરીકે વર્તે છે. આ ઉપરાંત બીજા આશ્ચર્યજનક ગુણોની સમજ આપવા માટે λ બિંદુ ઉપરના હીલિયમને He I અને λ બિંદુથી નીચેના હીલિયમને He II તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. હીલિયમ-IIના અગત્યના ગુણધર્મો આ પ્રમાણે છે : (1) 2.19 K તાપમાનની નીચે ઘનતામાં ઘટાડો થાય છે. એટલે કે ઉષ્મા-પ્રસરણાંક (coefficient of thermal expansion) ઋણ હોય છે. (2) He IIની ગુપ્ત ઉષ્મા (latent heat) L = 23 જૂ/ગ્રા. જેટલી ઓછી હોય છે. (પ્રવાહી હાઇડ્રોજનની 20 K તાપમાને L = 42 જૂ/ગ્રા. અને પાણીની 3730 K તાપમાને L = 2243 જૂ/ગ્રા. છે.) આમ He II ઘણું જ બાષ્પશીલ (volatile) હોય છે. (3) 1 K તાપમાને He IIની ઉષ્માવાહકતા (thermal conductivity) He Iની સરખામણીમાં 3 × 107 ગણી હોય છે. (4) He IIની શૂન્યબિંદુ ઊર્જા (zero point energy) Eo = 305 જૂ/ગ્રા. પરમાણુ જેટલી ઊંચી છે, જે પ્રવાહી હીલિયમને ભારે દબાણની ગેરહાજરીમાં ઘન બનવા દેતી નથી. (5) હીલિયમ માટે ત્રિક બિન્દુ (triple point) પણ નથી. તે અતિતરલતા ધરાવે છે.

He IIનો અતિ આશ્ચર્યજનક ગુણ તેની અતિતરલતા છે. હીલિયમ વાયુ પણ પસાર ન થાય તેવા સૂક્ષ્મ (2 નૅમી.) છિદ્રમાંથી તે વિના અવરોધે પસાર થઈ શકે છે. કેશવાહિનીમાંથી અવરોધ વિના તે પસાર થઈ શકે છે. પણ તેની ઝડપ 300 સેમી./સે.થી વધુ ન હોવી જોઈએ. આ પ્રવાહી માટે દ્રવદાબી ઊંચાઈ(head of liquid)ની ગેરહાજરીમાં પણ તેનું ઊંચે જવાનું શક્ય બને છે. He IIને જે પાત્રમાં ભરવામાં આવે તે પાત્રની દીવાલ ઉપર થઈને કિનારી ઉપરથી બહારની દીવાલે તે ઊતરે છે અને પાત્ર ખાલી થઈ જાય છે. આ બતાવે છે કે He IIની શ્યાનતા (viscosity) શૂન્ય હોય છે.

પ્રવાહી હીલિયમના આ ગુણધર્મોની સૈદ્ધાન્તિક સમજૂતી આપવા ઘણા પ્રયત્નો થયા છે. લંડન, ટિસ્ઝા, લૅન્ડો વગેરે વિજ્ઞાનીઓ દ્વારા આ દિશામાં કરવામાં આવેલું સંશોધન અગત્યનું છે. તેમના મતે He II બે પ્રવાહીઓનું મિશ્રણ છે. એક He I, જે સામાન્ય પ્રવાહી (normal fluid) છે, અને બીજું અતિતરલ (super fluid) પ્રવાહી. λ બિંદુ તાપમાને બધું જ પ્રવાહી સામાન્ય પ્રવાહી છે; પરંતુ જેમ જેમ તાપમાન  ઘટાડવામાં આવે છે તેમ તેમ વધુ ને વધુ પ્રવાહી અતિતરલ સ્વરૂપમાં રૂપાંતરિત થતું જાય છે. આ અતિતરલ પ્રવાહી સમગ્ર જથ્થામાં વિતરિત થયેલું હોય છે. નિરપેક્ષ શૂન્ય તાપમાને બધું જ પ્રવાહી અતિતરલ હોય છે.

1K અને 2K તાપમાને હીલિયમ પરમાણુઓની દ બ્રોગ્લી તરંગલંબાઈ આંતર – પરમાણુ અંતર જેટલી હોય છે. આમ He II ક્વૉન્ટમ ગુણધર્મો ધરાવે છે અને તે ક્વૉન્ટમ પ્રવાહી છે. (ચિર પ્રતિષ્ઠિત classical-પ્રવાહી નહિ.) હીલિયમના બે સ્થાયી સમસ્થાનિકો (isotopes) He4 અને He3 છે. સામાન્ય રીતે ફક્ત He4 પરમાણુઓનું બનેલું પ્રવાહી અતિતરલતા દર્શાવે છે. He4 માં કણો (ઇલેક્ટ્રૉન, પ્રોટૉન ન્યૂટ્રૉન)ની સંખ્યા બેકી છે અને આ કણો (જેમનું આંતરિક પ્રચક્રણ intrinsic spin – શૂન્ય છે.) બોઝના આંકડાશાસ્ત્રને અનુસરે છે. આથી ઊલટું, He3 પરમાણુઓમાં એકી સંખ્યામાં કણો રહેલા છે (આંતરિક પ્રચક્રણ = ) જે ફર્મીના આંકડાશાસ્ત્રને અનુસરે છે. પ્રવાહી He4 બોઝ કણોનું બનેલું હોઈ બોઝ પ્રવાહી છે, જ્યારે He3 ફર્મી કણોનું બનેલું હોવાથી ફર્મી પ્રવાહી કહેવાય છે. (He6 બોઝ કણો છે તેથી તે અતિતરલતા દર્શાવી શકે, પણ તેનો ક્ષય અતિ ઝડપથી થાય છે.) ફક્ત બોઝ પ્રવાહી જ અતિતરલતાનો ગુણ દર્શાવી શકે છે. ટિસ્ઝાના મત અનુસાર He Iમાં પરમાણુઓ ઉત્તેજિત સ્થિતિમાં હોય છે, જ્યારે અતિતરલ હીલિયમમાં પરમાણુઓ ધરાસ્થિતિ(ground state)માં હોય છે, HeII ને l બિંદુ તાપમાનથી નીચે ઠારતાં તેમાં અતિતરલનું પ્રમાણ વધે છે. આ સ્થિતિમાંના પરમાણુઓનું વેગમાન (momentum) તથા એન્ટ્રોપી શૂન્ય હોય છે.

અતિતરલને સ્થૂલ ક્વૉન્ટમ (macroscopic quantum) અવસ્થા ગણી શકાય. હીલિયમ પરમાણુઓ વચ્ચે પારસ્પરિક ક્રિયા (interaction) નજીવી હોય છે. ઠારણ દરમિયાન ઘનીકરણ માટે સ્ફટિકીય લૅટિસરચના ગોઠવાય તે જરૂરી છે. દબાણની ગેરહાજરીમાં આ શક્ય બનતું નથી. પરમાણુઓની પરમશૂન્યાંકી ગતિ (zero-point motion) તેમના નજીવા દળની સરખામણીમાં ઘણી મોટી ગણાય. આ પરમાણુઓએ લૅટિસ બનાવવા માટે જે જથ્થામાં ઊર્જા તજવી જોઈએ તે જથ્થો ક્વૉન્ટમ યાંત્રિકી અનુસાર માન્ય થતો નથી. તેથી તેનું ઘનીકરણ થતું નથી. અતિતરલમાં પણ ઊર્જાસ્તરોને ક્વૉન્ટમ યાંત્રિકી એવી રીતે મર્યાદિત કરે છે, કે જેથી સામાન્ય ઘર્ષણ-અવરોધ અને શ્યાનતાનો ઉદભવ શક્ય બનતો નથી. અતિતરલની ઊર્જાત્યાગની ક્રિયાવિધિ(mechanism)માં ફોનૉન, રોટોન તથા ક્વૉન્ટમ વમળો (vortices) અગત્યનો ભાગ ભજવતાં હોય તેમ લાગે છે, પણ આ બાબત ઘણી જટિલ છે.

He3 પણ અતિતરલ આપે છે, પણ તેના ગુણધર્મો He4ના અતિતરલથી જુદા પડે છે.

અરુણ રમણલાલ વામદત્ત