Một tủ lạnh heli-3 sử dụng heli-3 để đạt được nhiệt độ 0,2 đến 0,3 kelvin. Một tủ lạnh pha loãng sử dụng hỗn hợp heli-3 và heli-4 để đạt được nhiệt độ đông lạnh thấp đến vài phần nghìn kelvin.[27]

Một tính chất quan trọng của heli-3, mà phân biệt nó với các heli-4 phổ biến hơn, là hạt nhân của nó là một fermion vì nó chứa hạt có spin lẻ 1/2. Hạt nhân heli-4 là boson, có chứa hạt spin chẵn 1/2. Đây là kết quả trực tiếp của các quy tắc bổ sung cho động lượng góc được lượng tử hóa. Ở nhiệt độ thấp (khoảng 2,17 K), heli-4 trải qua quá trình chuyển pha: Một phần của nó bước vào pha siêu lỏng có thể hiểu đại khái là một dạng ngưng tụ Bose - Einstein. Một cơ chế như vậy không có sẵn cho các nguyên tử heli-3, đó là fermion. Tuy nhiên, người ta đã suy đoán rộng rãi rằng heli-3 cũng có thể trở thành siêu lỏng ở nhiệt độ thấp hơn nhiều, nếu các nguyên tử hình thành thành cặp tương tự như cặp Cooper trong lý thuyết siêu dẫn BCS. Mỗi cặp Cooper, có spin nguyên, có thể được coi là một boson. Trong những năm 1970, David Lee, Douglas Osheroff và Robert Coleman Richardson đã phát hiện ra hai pha chuyển tiếp dọc theo đường cong nóng chảy, chúng nhanh chóng được nhận ra là hai pha siêu lỏng của heli-3.[28][29] Sự chuyển đổi sang một siêu lỏng xảy ra ở 2,491 millikelvin trên đường cong nóng chảy. Họ đã được trao giải thưởng Nobel Vật lý năm 1996 vì khám phá đó. Tony Leggett đã giành giải thưởng Nobel Vật lý năm 2003 nhờ công trình cải tiến sự hiểu biết về giai đoạn siêu lỏng của heli-3.[30]

Trong một từ trường bằng không, có hai pha siêu lỏng riêng biệt gồm 3He, pha A và pha B. Pha B là pha nhiệt độ thấp, áp suất thấp có khe hở năng lượng đẳng hướng. Pha A là nhiệt độ cao hơn, pha áp suất cao hơn được ổn định hơn bởi từ trường và có hai nút điểm trong khoảng cách của nó. Sự hiện diện của hai pha là một dấu hiệu rõ ràng cho thấy 3 He là một siêu chất lỏng (chất siêu dẫn) độc đáo, vì sự có mặt của hai pha đòi hỏi một sự đối xứng bổ sung, ngoài đối xứng đo, bị phá vỡ. Trong thực tế, nó là một siêu lỏng p -wave, với spin một, S = 1 và động lượng góc một, L = 1. Trạng thái cơ bản tương ứng với tổng động lượng góc bằng 0, J = S + L = 0 (phép cộng vector). Các trạng thái kích thích là có thể với động lượng góc tổng bằng không, J > 0, là các chế độ tập thể cặp kích thích. Do độ tinh khiết cực cao của siêu lỏng 3 He (vì tất cả các vật liệu ngoại trừ 4 He đã đông cứng và chìm xuống đáy chất lỏng 3 He và bất kỳ 4 He nào đã tách pha hoàn toàn, đây là trạng thái vật chất tinh khiết nhất) đã được nghiên cứu với độ chính xác cao hơn nhiều so với bất kỳ hệ thống ghép đôi độc đáo nào khác.