Flüssiges 4He entwickelt unterhalb seines Lambdapunktes sehr ungewöhnliche Eigenschaften. Helium mit diesen Eigenschaften wird als
Helium II bezeichnet. Das Sieden von Helium II ist wegen seiner hohen
Wärmeleitfähigkeit nicht mehr möglich. Erhitzen bewirkt stattdessen eine direkte Verdampfung der Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand, wenn der „Siedepunkt“ erreicht ist.
Helium II ist ein
suprafluider Stoff. So fließt es etwa durch kleinste Öffnungen in Größenordnungen von 10−7 bis 10−8 m und hat keine messbare
Viskosität. Jedoch konnte bei Messungen zwischen zwei sich bewegenden Scheiben eine Viskosität ähnlich der von gasförmigem Helium festgestellt werden. Dieses Phänomen wird mit dem Zwei-Fluid-Model (bzw. Zwei-Flüssigkeiten-Modell) nach
László Tisza erklärt. Laut dieser Theorie ist Helium II wie ein Gemisch aus 4He-Teilchen im normal-fluiden sowie im suprafluiden Zustand, demnach verhält sich Helium II so, als gäbe es einen Anteil an Heliumatomen mit und einen ohne messbarer Viskosität. Anhand dieser Theorie können viele Phänomene der Tiefentemperaturphysik wie zum Beispiel der
„Thermomechanische Effekt“ relativ einfach und klar erklärt werden. Allerdings muss man deutlich darauf hinweisen, dass die zwei Flüssigkeiten weder theoretisch noch praktisch trennbar sind
[13].
Die Wärmeleitfähigkeit von Helium II ist größer als die jeder anderen bekannten Substanz, was durch den Effekt des
zweiten Schalls beschrieben wird. Sie ist eine Million mal höher als die von Helium I und mehrere hundert Mal höher als die des Kupfers. Sie ist so hoch, weil die
Wärmeübertragung durch
quantenmechanische Effekte bestimmt wird. Die meisten gut wärmeleitenden Materialien besitzen ein
Valenzband freier Elektronen, die die Wärme gut leiten. Helium II hat kein solches, sondern leitet den Wärmepuls mit einer Geschwindigkeit von 20 m/s bei 1,8 K. Dieser Vorgang kann durch eine
Wellengleichung beschrieben werden.
1971 gelang
David M. Lee,
Douglas D. Osheroff und
Robert C. Richardson, das Helium-
Isotop 3He ebenfalls in einen suprafluiden Zustand zu versetzen, indem sie das
Isotop unter die Temperatur von
2,6 Millikelvin abkühlten. Dabei geht man davon aus, dass zwei Atome 3He ein Paar bilden, ähnlich einem
Cooper-Paar. Dieses Paar besitzt ein magnetisches Moment und ein
Drehmoment. Die drei Wissenschaftler erhielten für diese Entdeckung 1996 den
Nobelpreis für Physik.
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