Superskystumas (superfluidumas): apibrėžimas, savybės ir panaudojimas

Superskystumas (superfluidumas): kas tai, unikalios savybės ir praktinis panaudojimas — nuo ultražemo temperatūros helio eksperimentų iki giroskopų ir šviesos sulėtininimo.

Superskystumas (dar vadinamas superfluidumu) yra ypatinga medžiagos būsena, kai skystis įgyja kvantinių savybių, dėl kurių jo elgesys žymiai skiriasi nuo įprastų skysčių. Superskystis gali tekėti be energijos praradimo, formuoti kvantinius sūkurus ir rodyti kitus reiškinius, kurių negalime paaiškinti klasikinės (nekvantinės) fizikos dėsniais.

Savybės

• Nulinis klampumas (be trinties): superskystis teka be vidinės trinties, t. y. jo efektyvus klampumas gali būti lygus nuliui. Dėl to tokie skysčiai gali tekėti per labai siauras angas arba pakilti per sieneles, o ilgalaikiai srautai (persitent currents) inde gali išlikti be matomo slopinimo.
• Kvantizuoti sūkuriai: sukant talpyklą, superskystis nejuda taip, kaip įprastas skystis — kol sukimas neviršija tam tikros ribos, jis gali elgtis tarsi „fiksuotas“. Jei sukimo greitis didėja, susidaro sūkuriai, tačiau šie sūkuriai yra kvantizuoti: jų rotacijos kiekis ateina vienetais (kvantais).
• Antrasis garsas: superskystuose galima stebėti šilumos bangas, kurios sklinda kaip stačiakampis garsas („antrasis garsas“), t. y. šiluminė perturbacija sklinda kaip banga, o ne tik difuzijos būdu.
• Fontano efektas ir kapiliarinis tekėjimas: kai kurios superskystų savybės lemia neįprastus kapiliarinius efektus, pavyzdžiui, helis gali „kopti“ per sieneles ir sukelti srautus į aukštesnį aukštį nei tradiciniai skysčiai.
• Kritinis greitis: nors superskystis teka be trinties, egzistuoja ribinis (kritinis) greitis, viršijus kurį atsiranda ekscitacijos ir judėjimas pradeda prarasti koherenciją.

Atsiradimas ir medžiagos

Superskystumas yra kvantinis reiškinys, dažniausiai susijęs su Bose–Einstein kondensacija arba Cooper poravimu (fermionams). Žinomiausi praktiniai pavyzdžiai:

• Helis-4 (4He): tampa superskystis žemesnėje nei maždaug 2,17 K temperatūroje (lambda taškas). Tai labiausiai ištirtas superskystumas.
• Helis-3 (3He): tampa superskystis daug žemesnėje temperatūroje (milikelvino skalėje) ir turi sudėtingesnę, daugialypę porų simetriją (pavieniai fermionai poruojasi analogiškai superlaidininkams).
• Ultrataušti atomų kondensatai: Bose–Einstein kondensatai, sudaryti iš labai atvėsintų atomų, taip pat rodo superfluidumo požymius ir leidžia tiriant kvantinę dinamiką laboratorinėmis sąlygomis.

Kaip tai paaiškina fizika

Superskystumo aprašymui naudojami keli modeliai: dviem komponentams pagrįstas modelis (normalus komponentas + superfluidinis komponentas), Bose–Einstein kondensacijos teorija ir kvantinės lauko teorijos aprašymai. Svarbūs reiškiniai, pavyzdžiui, kvantizuota sūkurinė struktūra ar antrasis garsas, kyla iš koherentiškos dalelių būsenos, kai daug dalelių užima tą pačią kvantinę būseną.

Panaudojimas ir eksperimentai

Nors superskystumas pasireiškia tik itin žemoje temperatūroje, jis turi reikšmingų taikomųjų ir fundamentalių panaudojimo sričių moksle:

• Kosminiai ir astronominiai detektoriai: 1983 m. specialiame palydove buvo naudojamas -271,4 laipsnių pagal Celsijų [-456,2 laipsnių pagal Farenheitą] temperatūros superskystasis helis, kad būtų galima gauti informaciją apie infraraudonąsias bangas kosmose — itin žema temperatūra reikalinga jautriems detektoriams šaldyti ir sumažinti triukšmą.
• Giroskopai ir inerciniai jutikliai: superskystis gali būti naudojamas labai jautriuose giroskopuose, padedančiuose aptikti gravitacinius judesius ar kitokias smulkias rotacijas, kurias sunku užfiksuoti įprastais prietaisais.
• Lėtinimas ir zondavimas šviesos spinduliais: eksperimentai su ultratauštais atomų kondensatais (susijusiais su superfluidumu) leido reikšmingai sulėtinti šviesą — viename eksperimentų šviesos spindulys buvo sulėtintas nuo įprasto 670 600 000 mph (1 079 000 000 000 km/h) greičio iki 38,03 mph (62,2 km/h). Tai reiškia, jog šviesos greitis sumažėjo milijonų kartų — tokių eksperimentų rezultatai svarbūs kvantinei optikai ir informacijos saugojimui.
• Fundamentiniai tyrimai: superskystus naudojant tiriama kvantinė turbulencija, topologinės ekscitacijos, kvantinės fazių viršūnės ir kiti reiškiniai, kurie gali padėti suprasti sudėtingas kvantines sistemas bei idėjas kvantinei informatikai ir medžiagų mokslo srityse.

Apribojimai ir iššūkiai

• Reikalingos itin žemos temperatūros — tai didina eksperimentų ir prietaisų sudėtingumą bei kainą.
• Praktiniai panaudojimai riboti technologiniais apribojimais (pvz., skaliavimo problemos, jautrios aušinimo sistemos).
• Reikalingi specialūs talpyklų ir sąveikų su sienelėmis modeliai, nes realiame inde dalis skysčio visada elgsis kaip normalus komponentas.

Ateities perspektyvos

Tolesni tyrimai gali atverti naujų panaudojimų jautriuose prietaisuose, kvantiniuose matavimuose, bei prisidėti prie kvantinės medžiagotyros. Taip pat mokslininkai tyrinėja galimybes valdyti superfluidines savybes atominiu lygiu (pvz., optiniais ar magnetiniais laukais) ir taikyti jas kvantinėse technologijose.

Susijusios būsenos

Be superskystumo yra ir kitų egzotiškų materijos būsenų, pavyzdžiui, supersolidinė būsena — tai hipotetinė arba laboratorijoje sukurta fazė, kurioje egzistuoja tuo pačiu metu kristalinė (t. y. translacinė) tvarka ir superfluidinis srautas. Tokios fazės susidarymas ir valdymas yra sudėtingas ir aktyviai tiriamas srityse, kuriose susilieja kvantinė optika, kondensuotųjų dalelių fizika ir medžiagų mokslo metodai.

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kas yra supertekamumas?

Klausimas: Kaip superskystumas elgiasi talpykloje?

Klausimas: Ko reikia, kad susidarytų supertekamieji skysčiai?

K: Kaip moksle naudojami supertekamieji skysčiai?

K: Kas yra supersolidus?

K: Kas yra klampumas?

Klausimas: Ar gali atsirasti supertekėjimas kambario temperatūroje?

Paieška pagal raidę