ابرسیالی: اثر کوانتومی مرموز که به ستون فقرات فیزیک تجربی تبدیل شد - دنیای فیزیک

ابرسیالی: اثر کوانتومی مرموز که به ستون فقرات فیزیک تجربی تبدیل شد - دنیای فیزیک

تمبر زمان: 14 فوریه 2024، 6:00 صبح

همیش جانستون بررسی ابر سیال: چگونه یک سیال کوانتومی علم مدرن را متحول کرد توسط جان وایزند

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/superfluidity-the-mysterious-quantum-effect-that-became-a-backbone-of-experimental-physics-physics-world-3.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/superfluidity-the-mysterious-quantum-effect-that-became-a-backbone-of-experimental-physics-physics-world-3.jpg" data-caption="فوق العاده عجیب بسیاری از خواص هلیوم II، از جمله هدایت حرارتی فوق العاده آن، را می توان با استفاده از مدل دو سیال توصیف کرد. (با احترام: iStock/3quarks)”> برداشت هنرمند از یک ابر سیال
فوق العاده عجیب بسیاری از خواص هلیوم II، از جمله هدایت حرارتی فوق العاده آن، را می توان با استفاده از مدل دو سیال توصیف کرد. (با احترام: iStock/3quarks)

اثرات مکانیک کوانتومی در اطراف ما وجود دارد، اما خواص کوانتومی ماده معمولاً فقط در سطح میکروسکوپی آشکار است. هلیوم فوق سیال یک استثنا است و برخی از ویژگی های عجیب آن را می توان با چشم غیر مسلح دید. مانند جان وایزند - یک مهندس در منبع پوسته شدن اروپا و دانشگاه لوند - در کتاب خود توضیح می دهد فوق روان، این خواص باعث شده است که این ماده کنجکاو جزء ضروری بسیاری از فناوری های پیشرفته باشد. هلیوم فوق سیال به دور از یک کنجکاوی علمی، امروزه توسط محققان و مهندسان در مقادیر چند تنی استفاده می شود.

ویزند در کتاب خود که از خواندن آن لذت بردم، چگونگی نقش مهم هلیوم ابر سیال را در برخی از مهم‌ترین پیشرفت‌های علمی ۱۰۰ سال گذشته بررسی می‌کند. از جمله اکتشافات بوزون هیگز در CERN و ناهمگونی‌های تابش پس‌زمینه مایکروویو کیهانی - که هر دو منجر به دریافت جوایز نوبل فیزیک شدند.

در حالی که فوق روان هدف آن غیرفیزیکدان است، متوجه شدم که چیزهای زیادی برای من به عنوان فردی با پیشینه در فیزیک ماده متراکم وجود دارد. در واقع، ویزند فراتر از فیزیک است و توصیفی واضح و مختصر از چگونگی استفاده از هلیوم ابر سیال توسط مهندسان در آزمایش‌های علمی ارائه می‌دهد. این کتاب با استفاده از نقشه‌های فنی اصلی به تصویر کشیده شده است که حسی گرم و تاریخی به آن می‌دهد.

هلیوم مایع و تولد کرایوژنیک

خواص عجیب هلیوم-4 ابر سیال (همچنین به عنوان هلیوم مایع II شناخته می شود) به دلیل قوانین کوانتومی حاکم بر تقارن توابع موج اتم های هلیوم ایجاد می شود. الکترون‌ها که فرمیون‌ها هستند، نمی‌توانند حالت کوانتومی یکسانی را اشغال کنند، اما این موضوع برای اتم‌های هلیوم 4 صادق نیست. وقتی تا دمای کمتر از 2 کلوین سرد شود، تعداد زیادی از اتم‌ها می‌توانند پایین‌ترین حالت انرژی (زمین) را اشغال کنند.

وقتی این اتفاق می افتد، اتم ها یک ابر سیال تشکیل می دهند. ابر سیال ها می توانند در سربالایی جریان داشته باشند و از طریق دهانه های بسیار کوچک، گرما را به طور بسیار موثری هدایت می کنند و مانند مایعات معمولی نمی جوشند. Weisend توضیح می دهد که این ویژگی ها هلیوم II را برای خنک کردن اشیا تا دمای بسیار پایین بسیار مفید می کند.

این کتاب با استفاده از نقشه‌های فنی اصلی به تصویر کشیده شده است که حسی گرم و تاریخی به آن می‌دهد

فوق روان در اواخر قرن نوزدهم با مسابقه مایع سازی گازهایی مانند اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن آغاز شد - مسابقه ای که زمینه مدرن برودتی را ایجاد کرد. ثابت شد که هلیم یک چالش است زیرا دمای جوش 19 کلوین آن بسیار کمتر از سایر گازها است. علاوه بر این، هلیوم تنها در سال 4.2 روی زمین جدا شد و تا سال 1895 که در گاز طبیعی یافت شد، کمبود داشت.

اما در سال 1908 زمانی که فیزیکدان هلندی هایکه کامرلینگ اوننس اولین کسی بود که هلیوم را به مایع تبدیل کرد، یک پیشرفت به دست آمد. سپس اونس از یافته‌های خود برای سرد کردن مواد مختلف و اندازه‌گیری خواص آنها استفاده کرد، که منجر به کشف ابررسانایی او در سال 1911 شد. او جایزه نوبل فیزیک سال 1913 را به خاطر کارش در برودت زایی دریافت کرد.

ممکن است اونس زمانی که شواهدی مبنی بر انتقال فاز در هلیوم مایع با سرد شدن ماده مشاهده کرد، نکاتی از ابر سیالیت را مشاهده کرد. اما علیرغم این موفقیت آزمایشی اولیه، مایع سازی هلیوم تا دهه 1930 دشوار بود، زمانی که ویژگی فوق سیال ویسکوزیته صفر برای اولین بار اندازه گیری شد. این کار توسط پیوتر کاپیتزا، فیزیکدان شوروی و به طور مستقل توسط محققان کانادایی جک آلن و دان میزنر انجام شد. در اقدامی که توسط برخی از فیزیکدانان کانادایی از جمله این داور نبخشیده شده است، فقط به کاپیتزا جایزه نوبل فیزیک در سال 1978 برای این کشف اعطا شد.

یکی از جذاب ترین جنبه های هلیوم II این است که بسیاری از خواص منحصر به فرد و مفید آن را می توان با استفاده از یک مدل نسبتا ساده که آن را دارای اجزای فوق سیال و معمولی سیال توصیف می کند، درک کرد. این مدل دو سیال در اواخر دهه 1930 توسط فریتز لندن آلمانی الاصل و لازلو تیزا مجارستانی توسعه داده شد و در توضیح چگونگی انتقال گرما و جرم توسط هلیوم II بسیار خوب است - و وایزند نیز در توصیف این دو کار بسیار خوبی انجام می دهد. -مدل سیال در کتابش.

توصیف کامل مکانیکی کوانتومی هلیوم II توسط فیزیکدان نظری شوروی، لو لاندو در سال 1941 ایجاد شد، که برای آن جایزه نوبل را در سال 1962 دریافت کرد. در کتابش

خنک نگه داشتن

در حالی که فیزیکدانان تا دهه 1940 درک خوبی از هلیوم II داشتند، تا دهه 1960 بود که خواص منحصر به فرد این ماده توسط دانشمندان و مهندسان مورد بهره برداری قرار گرفت - و ویزند بخش زیادی از آن را اختصاص داد. فوق روان به این برنامه ها او توضیح می دهد که دو ویژگی مفید هلیوم II دمای بسیار پایین و رسانش حرارتی بسیار بالای آن است که مورد دوم به دلیل پدیده ای منحصر به فرد به نام "همرفت داخلی" است.

هنگامی که هلیوم II در یک گرادیان دما قرار دارد، جزء طبیعی سیال از ناحیه داغ دور می شود، در حالی که جزء فوق سیال به سمت آن حرکت می کند. ویزند توضیح می‌دهد که این فرآیند هلیوم II را به یک رسانای حرارتی باورنکردنی تبدیل می‌کند – در از بین بردن گرما تقریباً 1000 برابر کارآمدتر از مس است. یکی دیگر از مزایای جابجایی داخلی این است که گرما آنقدر سریع منتقل می شود که با گرم شدن هلیوم II نمی تواند حباب ایجاد کند، بنابراین خطر جوشیدن انفجاری وجود ندارد.

با وجود خواص کوانتومی عجیب، هلیوم II از طریق لوله های بزرگ بسیار شبیه به یک سیال معمولی جریان می یابد، بنابراین کار با آن نسبتاً ساده است. با این حال، جزء فوق سیال می تواند به راحتی از منافذ ریز عبور کند، در حالی که مایع معمولی نمی تواند. نتیجه "اثر فواره" است که می توان از آن برای پمپاژ هلیوم II بدون هیچ وسیله مکانیکی استفاده کرد.

نتیجه این است که هلیوم II می تواند به طور بسیار کارآمد طیف وسیعی از مواد را تا دمایی که در آن مواد ابررسانا می شوند خنک کند. ابررساناها می‌توانند جریان‌های الکتریکی بزرگی را بدون گرم کردن حمل کنند، و وایسند در کتاب خود به دو کاربرد بسیار پربار ابررساناهای خنک‌شده با هلیوم II نگاه می‌کند.

از زیرزمین تا فضای بیرونی

اولین موردی که ظهور کرد، حفره فرکانس رادیویی ابررسانا (SRF) بود که در دهه 1960 برای شتاب بخشیدن به ذرات باردار ساخته شد. یک حفره SRF در اصل یک محفظه در یک لوله ابررسانا است که با سیگنال RF طنین انداز می شود. همانطور که انرژی RF به داخل حفره پمپ می شود، یک میدان الکتریکی نوسانی عظیم در طول لوله ایجاد می شود. اگر یک ذره باردار در زمان مناسب وارد حفره شود، شتاب می گیرد. در واقع، هنگامی که چندین حفره مختلف به هم متصل می شوند، می توان به شتاب های بسیار بالایی دست یافت.

هلیوم II می تواند به طور بسیار کارآمدی طیف وسیعی از مواد را تا دمایی که در آن به ابررسانا تبدیل می شوند خنک کند

Weisend توضیح می دهد که چگونه کار پیشگام بر روی SRF ها در آن انجام شد دانشگاه استنفورد در ایالات متحده، جایی که شتاب دهنده ابررسانای استانفورد در دهه 1960 ساخته شد. این کتاب همچنین توضیح می‌دهد که چگونه دانشمندان در دهه 1980 این ساختمان را ساختند تسهیلات شتاب دهنده پرتو الکترونی پیوسته (CEBAF) در ایالات متحده از طرح شتاب دمای اتاق اجتناب کرد و از SRF های خنک شده با هلیوم II استفاده کرد. در دهه 1990، شتاب دهنده خطی ابررسانا انرژی ترا الکترون ولت پروژه (TESLA) در DESY در آلمان منجر به توسعه SRF برای برخورد دهنده خطی بین المللی (ILC) شد که می تواند جانشین برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) باشد.

در این مدت، بسیاری از آزمایشگاه‌های دیگر از SRF‌های خنک‌شده با هلیوم II، از جمله CERN، استفاده کرده‌اند. علاوه بر خنک کردن SRFها در CERN، آهنرباهای LHC با استفاده از هلیوم II سرد می شوند. ویزند اشاره می‌کند که فناوری خنک‌کننده مغناطیسی مورد استفاده در CERN و آزمایشگاه‌های دیگر برای کاربرد بسیار متفاوتی پیشگام بود، تلاش برای ایجاد همجوشی هسته‌ای در یک پلاسمای هیدروژنی محصور به صورت مغناطیسی. این کار در Tore Supra انجام شد که یک توکامک فرانسوی بود که از سال 1988 تا 2010 کار می کرد و از آن زمان ارتقا یافته و نام آن تغییر کرده است. غرب. توکامک در Cadarache قرار دارد، جایی که نشانگر قدرت همجوشی ITER در حال حاضر با آهنرباهایی ساخته می شود که به جای هلیوم II، توسط هلیوم مایع معمولی خنک می شود.

یکی دیگر از شاهکارهای مهندسی ابرسیال که Weisend به تفصیل آن را پوشش می دهد ماهواره نجومی مادون قرمز (IRAS)، که در سال 1983 به فضا پرتاب شد و اولین استفاده قابل توجه از هلیوم II در فضا بود. Weisend توضیح می‌دهد که چگونه طراحان IRAS بر چالش‌های مهمی از جمله ایجاد راهی برای تخلیه بخار هلیوم هنگامی که با حباب‌های مایع در محیطی با جاذبه کم مخلوط می‌شود، غلبه کردند.

IRAS خنک کننده ابرسیال را به مدت 300 روز حفظ کرد و در عین حال بسیاری از اجسام مادون قرمز را کشف کرد. موفقیت آن الهام بخش ماموریت های آینده ای بود که از هلیوم II استفاده می کردند، از جمله کاوشگر پس زمینه کیهانی (COBE). این در سال 1989 راه اندازی شد و منجر به دریافت جایزه نوبل فیزیک به جورج اسموت و جان ماتر در سال 2006 برای کشف ناهمسانگردی پس زمینه مایکروویو کیهانی شد.

و همچنین نگاهی به گذشته و حال هلیوم II، فوق روان به آینده می نگرد وایسند اشاره می کند که دوران هلیوم II در فضا احتمالاً به دلیل توسعه خنک کننده های مکانیکی که می توانند به دمای بسیار پایین برسند به پایان رسیده است. او همچنین به طور خلاصه به ابر سیال دیگر هلیوم، هلیوم-3، و نحوه استفاده از آن همراه با هلیوم II برای خنک کردن اشیا تا دمای بسیار پایین در یخچال رقیق‌کننده اشاره می‌کند.

در حالی که ممکن است دیگر ابرسیال‌ها را به فضا پرتاب نکنیم، Weisend به وضوح نشان می‌دهد که کاربردهای زیادی در آینده در اینجا روی زمین وجود دارد. در واقع، نیروگاه‌های همجوشی خنک‌شده با هلیوم II می‌توانند به کربن زدایی اقتصاد کمک کنند و شتاب‌دهنده‌های نسل بعدی می‌توانند به زودی دیدگاهی از فیزیک فراتر از مدل استاندارد به ما ارائه دهند.

  • Springer 2023 150pp 29.99$

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک