La température requise pour produire de l’hélium liquide est faible en raison de la faiblesse des attractions entre les atomes d’hélium. Ces forces interatomiques dans l’hélium sont faibles au départ parce que l’hélium est un gaz noble, mais les attractions interatomiques sont encore plus réduites par les effets de la mécanique quantique. Elles sont importantes dans l’hélium en raison de sa faible masse atomique d’environ quatre unités de masse atomique. L’énergie du point zéro de l’hélium liquide est moindre si ses atomes sont moins confinés par leurs voisins. Ainsi, dans l’hélium liquide, l’énergie de l’état fondamental peut diminuer par une augmentation naturelle de la distance interatomique moyenne. Cependant, à des distances plus grandes, les effets des forces interatomiques dans l’hélium sont encore plus faibles.
En raison des très faibles forces interatomiques dans l’hélium, l’élément reste liquide à la pression atmosphérique, depuis son point de liquéfaction jusqu’au zéro absolu. L’hélium liquide ne se solidifie que sous de très basses températures et de grandes pressions. À des températures inférieures à leur point de liquéfaction, l’hélium 4 et l’hélium 3 subissent des transitions vers des superfluides. (Voir le tableau ci-dessous.)
L’hélium-4 liquide et l’hélium-3 rare ne sont pas complètement miscibles. En dessous de 0,9 kelvin à leur pression de vapeur saturée, un mélange des deux isotopes subit une séparation de phase en un fluide normal (principalement de l’hélium-3) qui flotte sur un superfluide plus dense constitué principalement d’hélium-4. Cette séparation de phase se produit parce que la masse globale d’hélium liquide peut réduire son enthalpie thermodynamique en se séparant.
Au niveau des températures extrêmement basses, la phase superfluide, riche en hélium-4, peut contenir jusqu’à 6% d’hélium-3 en solution. Cela rend possible l’utilisation à petite échelle du réfrigérateur à dilution, capable d’atteindre des températures de quelques millikelvins.
L’hélium-4 superfluide présente des propriétés sensiblement différentes de celles de l’hélium liquide ordinaire.
.