נזילות-על: האפקט הקוונטי המסתורי שהפך לעמוד השדרה של הפיזיקה הניסויית - עולם הפיזיקה

<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="סופר מוזר ניתן לתאר רבות מהתכונות של הליום II, כולל מוליכות תרמית יוצאת דופן שלו, באמצעות מודל של שני נוזלים. (באדיבות: iStock/3quarks)">

ההשפעות של מכניקת הקוונטים נמצאות סביבנו, אבל התכונות הקוונטיות של החומר נראות בדרך כלל רק ברמה המיקרוסקופית. הליום סופר נוזלי הוא חריג, וניתן לראות כמה מהמאפיינים המוזרים שלו בעין בלתי מזוינת. כפי ש ג'ון וייסנד - מהנדס ב- מקור הספאליות האירופאי ו אוניברסיטת לונד – מסביר בספרו מיותר, תכונות אלו הפכו את החומר המוזר הזה למרכיב חיוני בטכנולוגיות חדישות רבות. רחוק מלהיות קוריוז מדעי, הליום סופר נוזלי נמצא בשימוש על ידי חוקרים ומהנדסים בכמויות מרובות טונות כיום.

בספרו, שנהניתי לקרוא, וייסנד חוקר כיצד הליום העל-נוזל מילא תפקיד חשוב בכמה מפריצות הדרך המדעיות החשובות ביותר של 100 השנים האחרונות. אלה כוללים את הגילויים של בוזון היגס ב CERN והאי-הומוגניות בקרינת הרקע הקוסמית של המיקרוגל - שתיהן הובילו לפרסי נובל בפיזיקה.

בעוד מיותר מכוון למי שאינו פיזיקאי, גיליתי שיש הרבה מה לעניין אותי בתור מישהו עם רקע בפיזיקה של חומר דחוס. ואכן, וייסנד חורג הרבה מעבר לפיזיקה, ומספק תיאור ברור ותמציתי כיצד הליום על נוזלי משמש מהנדסים בניסויים מדעיים. הספר מאויר באמצעות שרטוטים טכניים מקוריים, המעניקים לו תחושה חמימה והיסטורית.

הליום נוזלי והולדת קריוגניקה

התכונות המוזרות של הליום 4-על נוזלי (הידוע גם בשם הליום נוזלי II) נוצרות בגלל הכללים הקוונטיים השולטים בסימטריה של פונקציות הגל של אטומי הליום. אלקטרונים, שהם פרמיונים, אינם יכולים לתפוס את אותו מצב קוונטי, אך הדבר אינו נכון לגבי אטומי הליום-4. כאשר מקוררים מתחת ל-2 K, מספר גדול של האטומים יכול לתפוס את מצב האנרגיה (הקרקע) הנמוך ביותר.

כאשר זה קורה, האטומים יוצרים נוזל-על. נוזלי-על יכולים לזרום בעלייה ודרך פתחים קטנים מאוד, הם מוליכים חום ביעילות רבה, ולא ירתחו כמו נוזלים רגילים. Weisend מסביר כי תכונות אלו הופכות את הליום II לשימושי ביותר לקירור דברים לטמפרטורות נמוכות מאוד.

הספר מאויר באמצעות שרטוטים טכניים מקוריים, המעניקים לו תחושה חמימה והיסטורית

מיותר מתחיל בסוף המאה ה-19 עם המירוץ להנזלת גזים כמו חמצן, חנקן ומימן - גזע שיצר את התחום המודרני של קריוגניקה. הליום הוכיח את עצמו כאתגר מכיוון שטמפרטורת הרתיחה שלו של 4.2 K נמוכה בהרבה מגזים אחרים. יתר על כן, הליום היה מבודד על פני כדור הארץ רק בשנת 1895 והיה במחסור עד 1903, אז הוא נמצא בגז טבעי.

אבל פריצת דרך הגיעה בשנת 1908 כשהפיזיקאית ההולנדית הייקה קמרלינגה אוננס הפכה לראשונה להזיל הליום. אונס השתמש אז בממצאיו כדי לצנן חומרים שונים ולמדוד את תכונותיהם, מה שהוביל לגילוי שלו על מוליכות-על בשנת 1911. הוא זכה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1913 על עבודתו בקריוגניקה.

תומס קון: תובנות חדשות לגבי פילוסוף מדע מהפכני

אולי אונס הבחין ברמזים לנזילות-יתר כשראה עדויות למעבר פאזה בהליום נוזלי כשהחומר התקרר. אבל למרות ההצלחה הניסויית הראשונית הזו, היה קשה לנוזל הליום עד הרבה לתוך שנות ה-1930, אז נמדדה לראשונה תכונת העל-נוזל של אפס צמיגות. זה נעשה הן על ידי הפיזיקאי הסובייטי פיוטר קפיצה והן באופן עצמאי על ידי החוקרים הקנדיים ג'ק אלן ודון מיסנר. בצעד שלא נסלח על ידי כמה פיזיקאים קנדים, כולל המבקר הזה, רק קפיצה זכה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1978 על התגלית.

אחד ההיבטים המרתקים ביותר של הליום II הוא שניתן להבין רבים מהתכונות הייחודיות והשימושיות שלו באמצעות מודל פשוט יחסית המתאר אותו כבעל רכיבים סופר-נוזליים ורכיבים רגילים. מודל דו-נוזל זה פותח בסוף שנות ה-1930 על ידי פריץ לונדון יליד גרמניה ולאסלו טיסה ההונגרי, והוא טוב להפליא בהסבר כיצד חום ומסה מועברים על ידי הליום II - ו-Weisend גם עושה עבודה נהדרת בתיאור השניים מודל נוזלי בספרו.

התיאור הקוונטי-מכני המלא של הליום II פותח על ידי הפיזיקאי התיאורטי הסובייטי לב לנדאו בשנת 1941, עליו זכה בפרס נובל בשנת 1962. וייסנד מתאר את התיאוריה כקשה להבנה ובחוכמה אינו מנסה הסבר מעמיק בספר שלו.

שומרים על קור רוח

בעוד שלפיזיקאים הייתה הבנה טובה של הליום II בשנות ה-1940, רק בשנות ה-1960 החלו לנצל את התכונות הייחודיות של החומר על ידי מדענים ומהנדסים - ו-Weisend מקדיש הרבה מיותר ליישומים אלו. הוא מסביר ששתי התכונות השימושיות ביותר של הליום II הן הטמפרטורה הנמוכה מאוד שלו והולכת החום הגבוהה מאוד שלו, כשהאחרון נובע מתופעה ייחודית שנקראת "הסעה פנימית".

כאשר הליום II נמצא בשיפוע טמפרטורה, הרכיב הרגיל של הנוזל מתרחק מהאזור החם, ואילו הרכיב הנוזל העל נע לעברו. וייסנד מסביר שתהליך זה הופך את הליום II למוליך תרמי מדהים - הוא יעיל כמעט פי 1000 מנחושת בסילוק חום. יתרון נוסף של הסעה פנימית הוא שהחום מועבר כל כך מהר עד שלא יכולות להיווצר בועות בהליום II בזמן שהוא מתחמם, כך שאין סכנה של רתיחה חומרית.

למרות התכונות הקוונטיות המוזרות שלו, הליום II זורם דרך צינורות גדולים בדומה לנוזל רגיל, כך שהוא פשוט יחסית לטיפול. עם זאת, הרכיב הנוזל העל יכול לעבור בקלות רבה דרך נקבוביות זעירות, בעוד שהנוזל הרגיל אינו יכול. התוצאה היא "אפקט המזרקה", שניתן להשתמש בו לשאיבת הליום II ללא כל אמצעי מכני.

התוצאה היא שהליום II יכול לקרר ביעילות רבה מגוון רחב של חומרים לטמפרטורות שבהן הם הופכים למוליכים-על. מוליכים יכולים לשאת זרמים חשמליים גדולים מבלי להתחמם, ו-Weisend מסתכל על שני יישומים פוריים מאוד של מוליכים מקוררים הליום II בספרו.

מהמחתרת לחלל החיצון

הראשון שהופיע היה חלל תדר רדיו מוליך-על (SRF), שפותח בשנות ה-1960 כדי להאיץ חלקיקים טעונים. חלל SRF הוא בעצם תא בצינור מוליך-על המהדהד עם אות RF. כאשר אנרגיית RF נשאבת לתוך החלל, נוצר שדה חשמלי מתנודד עצום לאורך הצינור. אם חלקיק טעון יוכנס לחלל בדיוק בזמן הנכון, הוא יואץ. ואכן, כאשר מספר חללים שונים מחוברים, ניתן להשיג תאוצות גבוהות מאוד.

הליום II יכול לקרר ביעילות רבה מגוון רחב של חומרים לטמפרטורות שבהן הם הופכים למוליכים-על

Weisend מסביר כיצד העבודה החלוצית על SRFs נעשתה ב אוניברסיטת סטנפורד בארה"ב, שם נבנה מאיץ המוליכים של סטנפורד בשנות ה-1960. הספר גם מתאר כיצד, בשנות ה-1980, מדענים בונים את מתקן מאיץ קרן אלקטרונים רציף (CEBAF) בארה"ב נמנעה מתכנית האצת טמפרטורת החדר ולקחה סיכון על SRFs מקורר הליום II. בשנות ה-1990, ה מאיץ ליניארי מוליך-על Tera Electron Volt Energy פרויקט (TESLA) ב-DESY בגרמניה הוביל את הדחף לפיתוח SRFs עבור מאיץ ליניארי בינלאומי (ILC), שיכול להיות יורש של מאיץ ההדרונים הגדול (LHC).

בינתיים, מעבדות רבות אחרות אימצו SRF מקורר הליום II, כולל CERN. בנוסף לקירור SRFs ב-CERN, המגנטים של ה-LHC מקוררים באמצעות הליום II. Weisend מציין כי טכנולוגיית קירור המגנט ששימשה ב-CERN ובמעבדות אחרות הייתה חלוצה ליישום שונה מאוד, החיפוש ליצור היתוך גרעיני בפלזמת מימן מוגבלת מגנטית. זה נעשה ב- Tore Supra, שהיה טוקאמק צרפתי שפעל מ-1988 עד 2010 ומאז שודרג ושם שונה. מַעֲרָב. הטוקאמק ממוקם בקדראצ'ה, שם נבנה כעת מדגמת כוח ההיתוך של ITER עם מגנטים שיוקררו על ידי הליום נוזלי רגיל, ולא על ידי הליום II.

נוזל-על 'מרגיש' כמו משטח מוליך חום הסוגר פנים ריק

עוד הישג הנדסי סופר-נוזל ש-Weisend מכסה בפירוט הוא לוויין אסטרונומי אינפרא אדום (IRAS), ששוגר ב-1983 והיה השימוש המשמעותי הראשון בהליום II בחלל. Weisend מסביר כיצד מעצבי IRAS התגברו על אתגרים משמעותיים, כולל פיתוח דרך לאוורר אדי הליום כאשר הוא מעורבב עם כתמי נוזל בסביבה עם כוח משיכה נמוך.

IRAS שמרה על קירור נוזלי במשך 300 ימים תוך גילוי עצמים אינפרא אדום רבים. הצלחתו היוו השראה למשימות עתידיות שהשתמשו בהליום II, כולל סייר הרקע הקוסמי (COBE). זה הושק ב-1989, והוביל לכך שג'ורג' סמוט וג'ון מאתר קיבלו את פרס נובל לפיזיקה ב-2006 על גילוי האניזוטרופיה של רקע המיקרוגל הקוסמי.

בנוסף להסתכל על העבר וההווה של הליום II, מיותר מסתכל אל העתיד. וייסנד מציין שעידן הליום II בחלל כנראה הסתיים בגלל התפתחותם של מצננים מכניים שיכולים להגיע לטמפרטורות נמוכות מאוד. הוא גם נוגע בקצרה בנוזל העל ההליום השני, הליום-3, וכיצד ניתן להשתמש בו יחד עם הליום II כדי לקרר דברים לטמפרטורות נמוכות מאוד במקרר דילול.

אמנם אנחנו לא משגרים יותר נוזלי-על לחלל, אבל וייסנד מבהיר שיש הרבה יישומים עתידיים כאן על כדור הארץ. ואכן, תחנות כוח היתוך מקוררות הליום II יכולות לסייע בהפחתת הפחמן של הכלכלה ומאיצים מהדור הבא יכולים בקרוב לתת לנו מבט על הפיזיקה מעבר למודל הסטנדרטי.

• Springer 2023 150pp $29.99pb

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/superfluidity-the-mysterious-quantum-effect-that-became-a-backbone-of-experimental-physics/