Сверхтекучесть — термодинамическая фаза квантовой жидкости, при которой она протекает через узкие щели и капилляры без трения. До недавнего времени сверхтекучесть была известна только у жидкого гелия, однако в последние годы сверхтекучесть была обнаружена и в других системах: в разреженных атомных бозе-конденсатах, твёрдом гелии.

Как известно, при температуре 2,19° К жидкий гелий имеет так называемую λ-точку (фазовый переход второго рода); при температурах ниже этой точки жидкий гелий (гелий II) обладает рядом удивительных свойств, связанных с квантовой природой этой, жидкости.

Действительно, по мере понижения температуры увеличивается де-бройлевская длина волны, соответствующая тепловому движению атомов. В жидком гелии де-бройлевская длина волны атомов гелия становится сравнимой с междуатомными расстояниями при температурах порядка 2–3°К. Соответственно этому, в этой области температур свойства жидкого гелия связаны с квантовыми явлениями; в этом смысле можно говорить о гелии при очень низких температурах, как о «квантовой жидкости». В частности, квантовым свойством является и тот факт, что гелий остаётся жидким (при обычном давлении) при всех температурах, вплоть до абсолютного нуля, между тем как согласно классической механике всякое тело при абсолютном нуле должно быть твёрдым кристаллом.

Жидкий гелий является единственной существующей в природе квантовой жидкостью; все другие жидкости затвердевают значительно раньше, чем в них становятся заметными квантовые эффекты. Наиболее существенным из особых свойств гелия II является открытая в 1938 П. Л. Капицей его сверхтекучесть (Нобелевская премия по физике за 1978 год). Рациональное объяснение и количественная теория этого явления были даны Л. Ландау (Нобелевская премия по физике за 1962 год), который впервые построил последовательную теорию квантовой жидкости.

Сверхтекучесть объясняется следующим образом. Поскольку атомы гелия являются бозонами, квантовая механика допускает нахождение в одном состоянии произвольного числа частиц. Вблизи абсолютного нуля температур, все атомы гелия оказываются в наинизшем энергетическом состоянии. Поскольку энергия состояний дискретна, то атом не может получить любую энергию, а только такую, которая равна энергетическому зазору между соседними уровнями энергии. Но при низкой температуре энергия столкновений может оказаться меньше этой величины, в результате чего рассеяния энергии попросту не будет происходить. Жидкость будет течь без трения.

Из других попыток построения теории сверхтекучести упомянем работы Ф. Лондона и Л. Тиссы. В этих работах для объяснения поведения гелия II привлекаются свойства вырожденного идеального бозе-эйнштейновского газа, причём предполагается, что атомы, находящиеся в нормальном состоянии (состояние с нулевой энергией), движутся через вещество, не испытывая трения. Такое представление, однако, не может быть признано удовлетворительным. Прежде всего, гелий II не имеет ничего общего с идеальным газом, и нет никаких оснований переносить на него результаты, получающиеся для газа.

Но и в идеальном газе находящиеся в нормальном состоянии атомы отнюдь не стали бы вести себя как «сверхтекучие»; напротив, ничто не мешало бы им сталкиваться с возбуждёнными атомами, обмениваясь при этом импульсом, т. е. при своём движении в веществе они испытывали бы трение, и сверхтекучесть отсутствовала бы. Таким образом, такое объяснение сверхтекучести не только не имеет достаточно солидного основания, но по существу ещё и находится в прямом противоречии с исходными предположениями.