सुपरफ्लुइडिटी: रहस्यमय क्वांटम प्रभाव जो प्रायोगिक भौतिकी की रीढ़ बन गया - फिजिक्स वर्ल्ड

<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="बहुत अजीब इसकी असाधारण तापीय चालकता सहित हीलियम II के कई गुणों को दो-तरल मॉडल का उपयोग करके वर्णित किया जा सकता है। (सौजन्य: iStock/3quarks)">

क्वांटम यांत्रिकी के प्रभाव हमारे चारों ओर हैं, लेकिन पदार्थ के क्वांटम गुण आम तौर पर केवल सूक्ष्म स्तर पर ही स्पष्ट होते हैं। सुपरफ्लुइड हीलियम एक अपवाद है, और इसकी कुछ विचित्र विशेषताओं को नग्न आंखों से देखा जा सकता है। जैसा जॉन वीसेंड - में एक इंजीनियर यूरोपीय स्पैलेशन स्रोत और लुंड विश्वविद्यालय - अपनी पुस्तक में बताते हैं superfluidइन गुणों ने इस जिज्ञासु पदार्थ को कई अत्याधुनिक प्रौद्योगिकियों का एक अनिवार्य घटक बना दिया है। वैज्ञानिक जिज्ञासा से दूर, सुपरफ्लुइड हीलियम का उपयोग आज शोधकर्ताओं और इंजीनियरों द्वारा बहु-टन मात्रा में किया जाता है।

अपनी पुस्तक में, जिसे पढ़ने में मुझे आनंद आया, वीसेंड ने बताया कि कैसे सुपरफ्लुइड हीलियम ने पिछले 100 वर्षों की कुछ सबसे महत्वपूर्ण वैज्ञानिक सफलताओं में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई है। इनमें हिग्स बोसोन की खोज भी शामिल है सर्न और ब्रह्मांडीय माइक्रोवेव पृष्ठभूमि विकिरण में असमानताएं - इन दोनों के कारण भौतिकी नोबेल पुरस्कार मिला।

जबकि superfluid गैर-भौतिक विज्ञानी के लिए लक्षित है, मैंने पाया कि संघनित-पदार्थ भौतिकी की पृष्ठभूमि वाले व्यक्ति के रूप में मेरी रुचि के लिए बहुत कुछ था। दरअसल, वीसेंड भौतिकी से कहीं आगे जाता है, और वैज्ञानिक प्रयोगों में इंजीनियरों द्वारा सुपरफ्लुइड हीलियम का उपयोग कैसे किया जाता है, इसका स्पष्ट और संक्षिप्त विवरण प्रदान करता है। पुस्तक को मूल तकनीकी चित्रों का उपयोग करके चित्रित किया गया है, जो इसे एक गर्मजोशी भरा और ऐतिहासिक एहसास देता है।

तरल हीलियम और क्रायोजेनिक्स का जन्म

सुपरफ्लुइड हीलियम -4 (जिसे तरल हीलियम II के रूप में भी जाना जाता है) के अजीब गुण हीलियम परमाणुओं के तरंग कार्यों की समरूपता को नियंत्रित करने वाले क्वांटम नियमों के कारण उत्पन्न होते हैं। इलेक्ट्रॉन, जो फ़र्मिअन हैं, समान क्वांटम स्थिति पर कब्जा नहीं कर सकते हैं, लेकिन हीलियम -4 परमाणुओं के लिए यह सच नहीं है। जब लगभग 2 K से नीचे ठंडा किया जाता है, तो बड़ी संख्या में परमाणु सबसे कम ऊर्जा (जमीनी) अवस्था में रह सकते हैं।

जब ऐसा होता है, तो परमाणु एक अतितरल पदार्थ बनाते हैं। सुपरफ्लुइड ऊपर की ओर और बहुत छोटे छिद्रों से बह सकते हैं, वे बहुत कुशलता से गर्मी का संचालन करते हैं, और पारंपरिक तरल पदार्थों की तरह उबलेंगे नहीं। वीसेंड बताते हैं कि ये गुण हीलियम II को चीजों को बहुत कम तापमान पर ठंडा करने के लिए बेहद उपयोगी बनाते हैं।

पुस्तक को मूल तकनीकी चित्रों का उपयोग करके चित्रित किया गया है, जो इसे एक गर्मजोशी भरा और ऐतिहासिक एहसास देता है

superfluid 19वीं सदी के अंत में ऑक्सीजन, नाइट्रोजन और हाइड्रोजन जैसी गैसों को तरल बनाने की दौड़ से शुरू होती है - एक ऐसी दौड़ जिसने क्रायोजेनिक्स के आधुनिक क्षेत्र का निर्माण किया। हीलियम एक चुनौती साबित हुई क्योंकि इसका क्वथनांक 4.2 K अन्य गैसों की तुलना में बहुत कम है। इसके अलावा, हीलियम को पृथ्वी पर केवल 1895 में अलग किया गया था और 1903 तक इसकी आपूर्ति कम थी, जब यह प्राकृतिक गैस में पाया गया था।

लेकिन एक सफलता 1908 में मिली जब डच भौतिक विज्ञानी हेइके कामेरलिंग ओन्स हीलियम को द्रवित करने वाले पहले व्यक्ति बने। इसके बाद ओन्स ने अपने निष्कर्षों का उपयोग विभिन्न सामग्रियों को ठंडा करने और उनके गुणों को मापने के लिए किया, जिसके कारण 1911 में उनकी अतिचालकता की खोज हुई। उन्होंने क्रायोजेनिक्स में अपने काम के लिए भौतिकी के लिए 1913 का नोबेल पुरस्कार जीता।

थॉमस कुह्न: विज्ञान के एक क्रांतिकारी दार्शनिक में नई अंतर्दृष्टि

अतितरलता के संकेत ओन्स द्वारा तब देखे गए होंगे जब उन्होंने पदार्थ के ठंडा होने पर तरल हीलियम में एक चरण संक्रमण के प्रमाण देखे होंगे। लेकिन इस प्रारंभिक प्रायोगिक सफलता के बावजूद, 1930 के दशक तक हीलियम को द्रवित करना मुश्किल बना रहा, जब शून्य चिपचिपाहट की सुपरफ्लुइड संपत्ति को पहली बार मापा गया था। यह सोवियत भौतिक विज्ञानी पियोत्र कपित्ज़ा और स्वतंत्र रूप से कनाडाई शोधकर्ताओं जैक एलन और डॉन मिसनर दोनों द्वारा किया गया था। एक ऐसे कदम में जिसे इस समीक्षक सहित कुछ कनाडाई भौतिकविदों ने माफ नहीं किया है, केवल कपित्जा को खोज के लिए भौतिकी के लिए 1978 के नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।

हीलियम II के सबसे आकर्षक पहलुओं में से एक यह है कि इसके कई अद्वितीय और उपयोगी गुणों को अपेक्षाकृत सरल मॉडल का उपयोग करके समझा जा सकता है जो इसे सुपरफ्लुइड और सामान्य-द्रव घटकों के रूप में वर्णित करता है। यह दो-तरल मॉडल 1930 के दशक के अंत में जर्मन में जन्मे फ्रिट्ज़ लंदन और हंगेरियन लास्ज़लो टिस्ज़ा द्वारा विकसित किया गया था, और यह यह समझाने में उल्लेखनीय रूप से अच्छा है कि हीलियम II द्वारा गर्मी और द्रव्यमान को कैसे स्थानांतरित किया जाता है - और वीसेंड ने भी दोनों का वर्णन करने का एक अच्छा काम किया है। -उनकी पुस्तक में द्रव मॉडल।

हीलियम II का पूर्ण विकसित क्वांटम-मैकेनिकल विवरण सोवियत सैद्धांतिक भौतिक विज्ञानी लेव लैंडौ द्वारा 1941 में विकसित किया गया था, जिसके लिए उन्हें 1962 में नोबेल पुरस्कार मिला। वीसेंड ने सिद्धांत को समझने में मुश्किल बताया और बुद्धिमानी से गहराई से व्याख्या करने का प्रयास नहीं किया। उसकी किताब में.

ठंडा करते रहो

जबकि भौतिकविदों को 1940 के दशक तक हीलियम II की अच्छी समझ थी, लेकिन 1960 के दशक तक ऐसा नहीं था जब वैज्ञानिकों और इंजीनियरों द्वारा पदार्थ के अद्वितीय गुणों का फायदा उठाया जाने लगा - और वीसेंड ने इस पर बहुत ध्यान दिया superfluid इन अनुप्रयोगों के लिए. वह बताते हैं कि हीलियम II की दो सबसे उपयोगी विशेषताएं इसका बहुत कम तापमान और इसका बहुत उच्च ताप संचालन है, बाद वाला "आंतरिक संवहन" नामक एक अनोखी घटना के कारण होता है।

जब हीलियम II तापमान प्रवणता में होता है, तो तरल पदार्थ का सामान्य घटक गर्म क्षेत्र से दूर चला जाता है, जबकि सुपरफ्लुइड घटक इसकी ओर बढ़ता है। वीसेंड बताते हैं कि यह प्रक्रिया हीलियम II को एक अविश्वसनीय थर्मल कंडक्टर बनाती है - यह गर्मी को दूर करने में तांबे की तुलना में लगभग 1000 गुना अधिक कुशल है। आंतरिक संवहन का एक अन्य लाभ यह है कि गर्मी का परिवहन इतनी तेजी से होता है कि गर्म होने पर हीलियम II में बुलबुले नहीं बन पाते हैं, इसलिए विस्फोटक उबलने का कोई खतरा नहीं होता है।

अपने अजीब क्वांटम गुणों के बावजूद, हीलियम II एक सामान्य तरल पदार्थ की तरह बड़े पाइपों के माध्यम से बहता है, इसलिए इसे संभालना अपेक्षाकृत सरल है। हालाँकि, सुपरफ्लुइड घटक छोटे छिद्रों से बहुत आसानी से गुजर सकता है, जबकि सामान्य तरल नहीं हो सकता। परिणाम "फव्वारा प्रभाव" है, जिसका उपयोग बिना किसी यांत्रिक साधन के हीलियम II को पंप करने के लिए किया जा सकता है।

नतीजा यह है कि हीलियम II बहुत ही कुशलता से सामग्रियों की एक विस्तृत श्रृंखला को ऐसे तापमान तक ठंडा कर सकता है जिस पर वे सुपरकंडक्टिंग बन जाते हैं। सुपरकंडक्टर्स बिना गर्म किए बड़ी विद्युत धाराओं को ले जा सकते हैं, और वीसेंड ने अपनी पुस्तक में हीलियम II-कूल्ड सुपरकंडक्टर्स के दो बहुत उपयोगी अनुप्रयोगों को देखा है।

भूमिगत से बाह्य अंतरिक्ष तक

सबसे पहले उभरने वाली सुपरकंडक्टिंग रेडियो-फ़्रीक्वेंसी (एसआरएफ) कैविटी थी, जिसे 1960 के दशक में चार्ज कणों को तेज करने के लिए विकसित किया गया था। एसआरएफ गुहा अनिवार्य रूप से एक सुपरकंडक्टिंग ट्यूब में एक कक्ष है जो आरएफ सिग्नल के साथ प्रतिध्वनित होता है। जैसे ही आरएफ ऊर्जा को गुहा में पंप किया जाता है, ट्यूब के साथ एक विशाल दोलनशील विद्युत क्षेत्र निर्मित होता है। यदि एक आवेशित कण को ​​सही समय पर गुहा में पेश किया जाता है, तो यह त्वरित हो जाएगा। दरअसल, जब कई अलग-अलग गुहाएं जुड़ी होती हैं, तो बहुत अधिक त्वरण प्राप्त किया जा सकता है।

हीलियम II बहुत ही कुशलता से सामग्रियों की एक विस्तृत श्रृंखला को ऐसे तापमान तक ठंडा कर सकता है जिस पर वे अतिचालक बन जाते हैं

वीसेंड बताते हैं कि एसआरएफ पर अग्रणी काम कैसे किया गया था स्टैनफोर्ड विश्वविद्यालय अमेरिका में, जहां 1960 के दशक में स्टैनफोर्ड सुपरकंडक्टिंग एक्सेलरेटर बनाया गया था। किताब में यह भी बताया गया है कि 1980 के दशक में वैज्ञानिक कैसे इसका निर्माण कर रहे थे सतत इलेक्ट्रॉन बीम त्वरक सुविधा अमेरिका में (सीईबीएएफ) ने कमरे के तापमान में तेजी लाने की योजना को छोड़ दिया और हीलियम II-कूल्ड एसआरएफ पर जोखिम उठाया। 1990 के दशक में, टेरा इलेक्ट्रॉन वोल्ट ऊर्जा सुपरकंडक्टिंग रैखिक त्वरक जर्मनी में DESY में (TESLA) परियोजना ने इंटरनेशनल लीनियर कोलाइडर (ILC) के लिए SRF विकसित करने के अभियान का नेतृत्व किया, जो लार्ज हैड्रॉन कोलाइडर (LHC) का उत्तराधिकारी हो सकता है।

अंतरिम में, CERN सहित कई अन्य प्रयोगशालाओं ने हीलियम II-कूल्ड SRF को अपनाया है। CERN में SRF को ठंडा करने के साथ-साथ, LHC के चुम्बकों को हीलियम II का उपयोग करके ठंडा किया जाता है। वीसेंड बताते हैं कि सीईआरएन और अन्य प्रयोगशालाओं में उपयोग की जाने वाली चुंबक-शीतलन तकनीक एक बहुत ही अलग अनुप्रयोग के लिए अग्रणी थी, चुंबकीय रूप से सीमित हाइड्रोजन प्लाज्मा में परमाणु संलयन बनाने की खोज। यह टोरे सुप्रा में किया गया था, जो एक फ्रांसीसी टोकामक था जो 1988 से 2010 तक संचालित था और तब से इसे उन्नत किया गया और नाम बदल दिया गया। पश्चिम. टोकामक कैडराचे में स्थित है, जहां आईटीईआर संलयन शक्ति प्रदर्शक वर्तमान में मैग्नेट के साथ बनाया जा रहा है जिसे हीलियम II के बजाय सामान्य तरल हीलियम द्वारा ठंडा किया जाएगा।

सुपरफ्लुइड एक खाली आंतरिक भाग को घेरने वाली ऊष्मा-संचालन सतह की तरह 'महसूस' करता है

एक और सुपरफ्लुइड इंजीनियरिंग उपलब्धि जिसके बारे में वीसेंड ने विस्तार से चर्चा की है इन्फ्रारेड खगोलीय उपग्रह (आईआरएएस), जिसे 1983 में लॉन्च किया गया था और यह अंतरिक्ष में हीलियम II का पहला महत्वपूर्ण उपयोग था। वीसेंड बताते हैं कि कैसे आईआरएएस डिजाइनरों ने कम गुरुत्वाकर्षण वाले वातावरण में तरल की बूंदों के साथ मिश्रित होने पर हीलियम वाष्प को बाहर निकालने का एक तरीका विकसित करने सहित महत्वपूर्ण चुनौतियों पर काबू पाया।

IRAS ने कई अवरक्त वस्तुओं की खोज करते हुए 300 दिनों तक सुपरफ्लुइड कूलिंग बनाए रखी। इसकी सफलता ने भविष्य के मिशनों को प्रेरित किया जिसमें कॉस्मिक बैकग्राउंड एक्सप्लोरर (COBE) सहित हीलियम II का उपयोग किया गया था। इसे 1989 में लॉन्च किया गया था, और जॉर्ज स्मूट और जॉन माथेर को कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड की अनिसोट्रॉपी की खोज के लिए 2006 में भौतिकी के नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।

साथ ही हीलियम II के अतीत और वर्तमान को देखते हुए, superfluid भविष्य की ओर देखता है. वीसेंड बताते हैं कि अंतरिक्ष में हीलियम II का युग संभवतः यांत्रिक कूलर के विकास के कारण समाप्त हो गया है जो बहुत कम तापमान तक पहुंच सकते हैं। उन्होंने संक्षेप में अन्य हीलियम सुपरफ्लूइड, हीलियम-3 के बारे में भी बताया और कैसे इसे हीलियम II के साथ मिलकर एक कमजोर रेफ्रिजरेटर में चीजों को बहुत कम तापमान पर ठंडा करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।

हालाँकि हम अब अंतरिक्ष में सुपरफ्लूइड लॉन्च नहीं कर रहे हैं, वीसेंड यह स्पष्ट करता है कि पृथ्वी पर भविष्य में कई अनुप्रयोग होंगे। वास्तव में, हीलियम II-ठंडा संलयन बिजली संयंत्र अर्थव्यवस्था को डीकार्बोनाइज करने में मदद कर सकते हैं और अगली पीढ़ी के त्वरक जल्द ही हमें मानक मॉडल से परे भौतिकी का एक दृश्य दे सकते हैं।

• 2023 स्प्रिंगर 150पीपी $29.99पीबी

• एसईओ संचालित सामग्री और पीआर वितरण। आज ही प्रवर्धित हो जाओ।
• प्लेटोडेटा.नेटवर्क वर्टिकल जेनरेटिव एआई। स्वयं को शक्तिवान बनाएं। यहां पहुंचें।
• प्लेटोआईस्ट्रीम। Web3 इंटेलिजेंस। ज्ञान प्रवर्धित। यहां पहुंचें।
• प्लेटोईएसजी. कार्बन, क्लीनटेक, ऊर्जा, पर्यावरण, सौर, कचरा प्रबंधन। यहां पहुंचें।
• प्लेटोहेल्थ। बायोटेक और क्लिनिकल परीक्षण इंटेलिजेंस। यहां पहुंचें।
• स्रोत: https://physicsworld.com/a/superfluidity-the-mysterious-quantum-effect-that-became-a-backbone-of-experimental-physics/