La temperatura richiesta per produrre elio liquido è bassa a causa della debolezza delle attrazioni tra gli atomi di elio. Queste forze interatomiche nell’elio sono deboli per cominciare perché l’elio è un gas nobile, ma le attrazioni interatomiche sono ridotte ancora di più dagli effetti della meccanica quantistica. Queste sono significative nell’elio a causa della sua bassa massa atomica di circa quattro unità di massa atomica. L’energia del punto zero dell’elio liquido è minore se i suoi atomi sono meno confinati dai loro vicini. Quindi, nell’elio liquido, la sua energia di stato fondamentale può diminuire con un aumento naturale della sua distanza interatomica media. Tuttavia, a distanze maggiori, gli effetti delle forze interatomiche nell’elio sono ancora più deboli.
A causa delle forze interatomiche molto deboli nell’elio, l’elemento rimane un liquido a pressione atmosferica per tutto il percorso dal suo punto di liquefazione fino allo zero assoluto. L’elio liquido si solidifica solo a temperature molto basse e a grandi pressioni. A temperature inferiori ai loro punti di liquefazione, sia l’elio-4 che l’elio-3 passano a superfluidi. (Vedi la tabella qui sotto.)
L’elio-4 liquido e il raro elio-3 non sono completamente miscibili. Al di sotto di 0,9 kelvin alla loro pressione di vapore satura, una miscela dei due isotopi subisce una separazione di fase in un fluido normale (principalmente elio-3) che galleggia su un superfluido più denso costituito principalmente da elio-4. Questa separazione di fase avviene perché la massa complessiva di elio liquido può ridurre la sua entalpia termodinamica separandosi.
A temperature estremamente basse, la fase superfluida, ricca di elio-4, può contenere fino al 6% di elio-3 in soluzione. Questo rende possibile l’uso su piccola scala del frigorifero a diluizione, che è in grado di raggiungere temperature di pochi millikelvin.
L’elio-4 superfluido ha proprietà sostanzialmente diverse dall’elio liquido ordinario.
