لأول مرة، وصف أحد الباحثين كيف سيكون "الشعور" عند لمس سائل كمي فائق. ومن خلال تجارب جديدة صامولي أوتي وخلص وزملاؤه في جامعة لانكستر في المملكة المتحدة إلى أن سائل الهيليوم 3 فائق البرودة سيبدو وكأنه سطح ثنائي الأبعاد موصل للحرارة، ويحيط بكمية فارغة.

تعد السيولة الفائقة نتيجة رائعة لميكانيكا الكم والتي تحدث عند درجات حرارة فائقة البرودة. بالقرب من الصفر المطلق، تمر بعض السوائل بمرحلة انتقالية إلى حالة اللزوجة الصفرية ويمكن أن تتدفق إلى الأبد دون مقاومة.

تمت ملاحظة السيولة الفائقة لأول مرة في الهيليوم-4 في عام 1937، واليوم تتم دراستها أيضًا في الغازات الذرية فائقة البرودة التي تسمى مكثفات بوز-آينشتاين. ولكن ربما كان اكتشاف السوائل الفائقة الأكثر إثارة للاهتمام هو ما حدث في عام 1970، عندما أظهر ثلاثة فيزيائيين أمريكيين أن الهيليوم 3 يمكن أن يصبح أيضًا سائلًا فائقًا - وإن كان ذلك عند درجات حرارة أقل بكثير من الهيليوم 4.

الاقتران

على عكس الهيليوم-4، وهو بوزون عرضة للتكثيف إلى سائل فائق، فإن الهيليوم-3 عبارة عن فيرميون لا ينبغي أن يظهر سيولة فائقة. ومع ذلك، عند درجات الحرارة المنخفضة جدًا، تقترن ذرات الهيليوم 3 لتشكل البوزونات، والتي يمكن أن تشكل بعد ذلك سائلًا فائقًا.

تعني هذه العملية المعقدة أن فيزياء سائل الهيليوم-3 الفائق أكثر ثراءً بكثير من فيزياء الهيليوم-4. على سبيل المثال، يتواجد السائل الفائق الهيليوم-3 في مرحلتين متميزتين: "المرحلة A" المتناحية الخواص و"المرحلة B" متباينة الخواص، والتي يتم تحديدها من حيث التوجهات النسبية لدوران الذرات المقترنة.

تحدث المرحلة B عند درجات حرارة منخفضة وتتضمن تكوينًا ثلاثيًا مغزليًا. يتفاعل السائل الفائق مع المحفزات الخارجية عن طريق تقسيم الأزواج، مما يؤدي إلى إنشاء أشباه الجسيمات التي توصل الحرارة خلال المرحلة B.

ومع ذلك، فإن كثافة أشباه الجسيمات هذه تنخفض بشكل كبير عندما يبرد السائل الفائق. عند درجات حرارة أقل من حوالي 1 مللي كلفن، لا يستطيع الجزء الداخلي من السائل توصيل الحرارة بكفاءة إلا من مصادر ساخنة بدرجة كافية لتكوين أشباه جسيمات جديدة. حتى الآن، لم يفكر الباحثون في كيفية تأثير هذه الخاصية على السلوك الميكانيكي العياني للمرحلة B.

انهيار ميكانيكي

أحد الأسئلة المثيرة للاهتمام بشكل خاص يتعلق بالانهيار الميكانيكي للسائل الفائق. يوضح أوتي: "تقليديًا، يُعتقد أن السوائل الفائقة تتحلل إذا ضربتها بقوة كافية باستخدام مسبار ميكانيكي". "كيف يحدث الانهيار يبدو وكأنه سؤال بسيط، لكنه ظل مشكلة مفتوحة في الهيليوم فائق السيولة."

لاستكشاف هذا الأمر بشكل أكبر، صمم فريق أوتي تجربة حيث يتم فحص سائل الهيليوم -3 الفائق من المرحلة B بواسطة سلك مهتز على شكل عمود المرمى. أثناء تحركه ذهابًا وإيابًا، تخلق الحرارة الناتجة عن عارضة السلك أشباه جسيمات جديدة في السائل الفائق.

"لقد قمنا بتحليل هذا التوقيع الحراري بعناية عن طريق تحريك قضيب المسبار في السائل الفائق، مما سمح لنا بإعادة بناء التفاعل بين المسبار والسائل الفائق"، يشرح أوتي.

اكتشف الباحثون أنه لا يتم نقل أي حرارة على الإطلاق عن طريق الجزء الداخلي من السائل الفائق. وبدلاً من ذلك، تقتصر أشباه الجسيمات على حواف الحاوية، لذلك يتم نقل أي حرارة يولدها المسبار على طول السطح.

السوائل السطحية الفائقة

يوضح أوتي: "في أدنى درجات الحرارة، يُحاط الهيليوم -3 السائل الفائق بمرحلة مستقلة ثنائية الأبعاد من السائل الفائق". "هذا السائل الفائق لديه وسيلة نقل حرارية خاصة به، ويتفاعل في المقام الأول مع المجسات المدرجة في الجزء الأكبر."

ولهذا التأثير بعض النتائج المثيرة للاهتمام بشكل خاص فيما يتعلق بالخصائص الميكانيكية للسوائل الفائقة. "اتضح أن الجزء الأكبر من السائل الزائد لم ينكسر؛ لقد ظل سلبيًا بغض النظر عن مدى صعوبة محاولتنا.

"بدلاً من ذلك، علمنا أن المسبار كان يتفاعل فقط مع نظام رفيع للغاية وثنائي الأبعاد يغطي المسبار. وبشكل غير متوقع، كشفت نظرة فاحصة أن هذه الطبقة كانت تحمل الحرارة بشكل فعال إلى حد ما بينما لم يلعب الجزء الأكبر أي دور في تدفق الحرارة.

ومن خلال هذا الاكتشاف، تمكن الفريق لأول مرة من التنبؤ بمدى ملمس مثل هذا السائل الفائق عند اللمس. وفي تناقض صارخ مع السوائل الكلاسيكية، استنتجوا أن الجزء الداخلي من سائل الهيليوم 3 الفائق سيبدو فارغًا، مثل تحريك أصابعك في الفراغ. وبما أن الحرارة تنتقل عبر سطح السائل الفائق، فإن لمسه سيكون بمثابة دفع إلى مادة رقيقة ثنائية الأبعاد، مع تدفق الحرارة على طول أصابعك.

يمثل هذا الاكتشاف طفرة في فهمنا للخصائص العيانية لسائل الهيليوم 3 الفائق، ويمكن أن يكون له آثار مهمة في مجالات تتراوح من فيزياء الجسيمات إلى علم الكونيات، حيث تتم دراسة السوائل الكمومية الغريبة على نطاق واسع. يقول أوتي: "أعتقد أنه يمكننا أن نفترض بأمان أن نظرتنا للفيزياء الأساسية في أماكن أخرى ستتغير بسبب هذه النتائج في سائل الهيليوم 3 الفائق".

تم وصف البحث في طبيعة الاتصالات.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/superfluid-feels-like-a-heat-conducting-surface-enclosing-an-empty-interior/