Un superfluid este o fază a materiei capabilă să curgă la nesfârșit fără pierderi de energie. Această proprietate a anumitor izotopi a fost descoperită de Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen și Don Misener în 1937. A fost obținută la temperaturi foarte scăzute cu cel puțin doi izotopi de heliu, un izotop de rubidiu și un izotop de litiu.
Numai lichidele și gazele pot fi superfluide. De exemplu, punctul de îngheț al heliului este de 1 K (Kelvin) și 25 de atmosfere de presiune, cea mai scăzută dintre orice element, dar substanța începe să prezinte proprietăți de superfluid la aproximativ 2 K. Tranziția de fază are loc atunci când toți atomii constituenți ai unei probe încep să aibă loc. ocupă aceeași stare cuantică. Acest lucru se întâmplă atunci când atomii sunt plasați foarte aproape unul de celălalt și răciți atât de mult încât funcțiile lor de undă cuantică încep să se suprapună și atomii își pierd identitatea individuală, comportându-se mai mult ca un singur super-atom decât ca o aglomerare de atomi.
Un factor limitativ asupra căruia materialele pot prezenta superfluiditate și care nu este că materialul trebuie să fie foarte foarte rece (mai puțin de 4 K) și să rămână fluid la această temperatură rece. Materialele care devin solide la temperaturi scăzute nu pot asuma această fază. Când este răcit la temperaturi foarte scăzute, un set de bozoni pregătiți pentru superfluid, atomi cu un număr par de nucleoni, formează un condensat Bose-Einstein, o fază superfluid a materiei. Când fermionii, atomi cu un număr impar de nucleoni, cum ar fi izotopul de heliu-3, sunt răciți la câțiva Kelvin, acest lucru nu este suficient pentru a provoca această tranziție.
Deoarece numai bosonii pot deveni cu ușurință un condensat Bose-Einstein, fermionii trebuie mai întâi să se împerecheze unul cu celălalt pentru a deveni un superfluid. Acest proces este similar cu împerecherea de electroni Cooper care are loc în supraconductori. Când doi atomi cu un număr impar de nucleoni se împerechează unul cu celălalt, ei posedă în mod colectiv un număr par de nucleoni și încep să se comporte ca bosonii, condensându-se împreună într-o stare superfluid. Acesta se numește condensat de fermion și iese doar la nivelul de temperatură mK (milliKelvin), mai degrabă decât la câțiva Kelvin. Diferența cheie dintre împerecherea atomilor într-un superfluid și împerecherea electronilor într-un supraconductor este că împerecherea atomică este mediată de fluctuațiile cuantice de spin, mai degrabă decât de schimbul de fononi (energie vibratorie).
Superfluidele au unele proprietăți impresionante și unice care le deosebesc de alte forme de materie. Deoarece nu au vâscozitate internă, un vortex format în interiorul unuia persistă pentru totdeauna. Un superfluid are entropie termodinamică zero și conductivitate termică infinită, ceea ce înseamnă că nu poate exista nicio diferență de temperatură între două superfluide sau două părți ale aceluiași. De asemenea, pot urca și ieși dintr-un container într-un strat gros de un atom dacă containerul nu este sigilat. O moleculă convențională încorporată într-un superfluid se poate mișca cu libertate de rotație deplină, comportându-se ca un gaz. Alte proprietăți interesante pot fi descoperite în viitor.
Majoritatea așa-numitelor superfluide nu sunt pure, ci sunt de fapt un amestec de o componentă fluidă și o componentă superfluid. Aplicațiile potențiale ale superfluidelor nu sunt la fel de interesante și de ample ca cele ale supraconductoarelor, dar frigiderele cu diluție și spectroscopia sunt două domenii în care și-au găsit utilizare. Poate că cea mai interesantă aplicație de astăzi este pur educațională, arătând cum efectele cuantice pot deveni macroscopice la scară în anumite condiții extreme.