سپر فلوڈیٹی: پراسرار کوانٹم اثر جو تجرباتی طبیعیات کی ریڑھ کی ہڈی بن گیا – فزکس ورلڈ

<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="سپر عجیب ہیلیم II کی بہت سی خصوصیات، بشمول اس کی غیر معمولی تھرمل چالکتا، کو دو سیال ماڈل کا استعمال کرتے ہوئے بیان کیا جا سکتا ہے۔ (بشکریہ: iStock/3quarks)">

کوانٹم میکانکس کے اثرات ہمارے چاروں طرف ہیں، لیکن مادے کی کوانٹم خصوصیات عام طور پر صرف خوردبین سطح پر ظاہر ہوتی ہیں۔ سپر فلوڈ ہیلیم ایک استثناء ہے، اور اس کی کچھ عجیب و غریب خصوصیات کو ننگی آنکھ سے دیکھا جا سکتا ہے۔ جیسا کہ جان ویسنڈ - میں ایک انجینئر یورپی اسپیل ماخذ اور لنڈ یونیورسٹی - اپنی کتاب میں وضاحت کرتا ہے۔ ضرورت سے زیادہ، ان خصوصیات نے اس متجسس مادے کو بہت سی جدید ٹیکنالوجیز کا لازمی جزو بنا دیا ہے۔ سائنسی تجسس سے دور، آج کل محققین اور انجینئرز کثیر ٹن مقدار میں سپر فلوڈ ہیلیم استعمال کرتے ہیں۔

اپنی کتاب میں، جسے پڑھ کر میں نے لطف اٹھایا، ویزینڈ نے دریافت کیا کہ کس طرح سپر فلوئڈ ہیلیم نے گزشتہ 100 سالوں کی کچھ اہم ترین سائنسی کامیابیوں میں اہم کردار ادا کیا ہے۔ ان میں ہگز بوسون کی دریافتیں شامل ہیں۔ CERN اور کائناتی مائیکرو ویو کے پس منظر کی تابکاری میں غیر ہم آہنگی - دونوں ہی طبیعیات کے نوبل انعامات کا باعث بنے۔

جبکہ ضرورت سے زیادہ غیر طبیعیات کا مقصد ہے، میں نے محسوس کیا کہ کنڈینسڈ میٹر فزکس میں پس منظر رکھنے والے شخص کے طور پر میری دلچسپی کے لیے بہت کچھ ہے۔ درحقیقت، ویزینڈ طبیعیات سے بہت آگے جاتا ہے، اور اس بات کی واضح اور جامع وضاحت فراہم کرتا ہے کہ سائنسی تجربات میں انجینئرز کی طرف سے سپر فلوڈ ہیلیم کس طرح استعمال ہوتا ہے۔ کتاب کو اصل تکنیکی ڈرائنگ کا استعمال کرتے ہوئے دکھایا گیا ہے، جو اسے ایک گرم اور تاریخی احساس دیتا ہے۔

مائع ہیلیم اور کرائیوجینک کی پیدائش

سپر فلائیڈ ہیلیم-4 (جسے مائع ہیلیم II بھی کہا جاتا ہے) کی عجیب و غریب خصوصیات ہیلیم ایٹموں کی لہر کے افعال کی ہم آہنگی کو کنٹرول کرنے والے کوانٹم قواعد کی وجہ سے پیدا ہوتی ہیں۔ الیکٹران، جو فرمیون ہیں، ایک ہی کوانٹم حالت پر قبضہ نہیں کر سکتے، لیکن ہیلیئم-4 ایٹموں کے لیے یہ بات درست نہیں ہے۔ تقریباً 2 K سے نیچے ٹھنڈا ہونے پر، ایٹموں کی بڑی تعداد سب سے کم توانائی (زمین) حالت پر قبضہ کر سکتی ہے۔

جب ایسا ہوتا ہے تو، ایٹم ایک اضافی سیال بناتے ہیں۔ سپر فلوڈ اوپر کی طرف بہہ سکتے ہیں اور بہت چھوٹے سوراخوں سے، وہ گرمی کو بہت مؤثر طریقے سے چلاتے ہیں، اور روایتی مائعات کی طرح ابلتے نہیں ہیں۔ ویزینڈ بتاتے ہیں کہ یہ خصوصیات ہیلیم II کو انتہائی کم درجہ حرارت پر چیزوں کو ٹھنڈا کرنے کے لیے انتہائی مفید بناتی ہیں۔

کتاب کو اصل تکنیکی ڈرائنگ کا استعمال کرتے ہوئے دکھایا گیا ہے، جو اسے ایک گرم اور تاریخی احساس دیتا ہے۔

ضرورت سے زیادہ 19ویں صدی کے آخر میں آکسیجن، نائٹروجن اور ہائیڈروجن جیسی گیسوں کو مائع کرنے کی دوڑ کے ساتھ شروع ہوتا ہے – ایک ایسی دوڑ جس نے کرائیوجینک کے جدید شعبے کو تخلیق کیا۔ ہیلیم ایک چیلنج ثابت ہوا کیونکہ اس کا ابلتا ہوا درجہ حرارت 4.2 K دیگر گیسوں سے بہت کم ہے۔ مزید برآں، ہیلیم صرف 1895 میں زمین پر الگ تھلگ تھا اور 1903 تک اس کی فراہمی کم تھی، جب یہ قدرتی گیس میں پائی گئی۔

لیکن ایک پیش رفت 1908 میں اس وقت ہوئی جب ڈچ ماہر طبیعیات ہائیک کیمرلنگ اونس ہیلیم کو مائع کرنے والے پہلے شخص بن گئے۔ اس کے بعد اونس نے اپنے نتائج کو مختلف مواد کو ٹھنڈا کرنے اور ان کی خصوصیات کی پیمائش کے لیے استعمال کیا، جس کی وجہ سے اس نے 1911 میں سپر کنڈکٹیویٹی کی دریافت کی۔ اس نے کرائیوجنکس میں اپنے کام کے لیے 1913 کا فزکس کا نوبل انعام حاصل کیا۔

تھامس کوہن: سائنس کے انقلابی فلسفی کی نئی بصیرت

ہو سکتا ہے کہ اونس کے ذریعہ انتہائی سیالیت کے اشارے اس وقت دیکھے گئے ہوں جب اس نے مادہ کے ٹھنڈا ہونے پر مائع ہیلیم میں مرحلے کی منتقلی کا ثبوت دیکھا۔ لیکن اس ابتدائی تجرباتی کامیابی کے باوجود، 1930 کی دہائی تک ہیلیئم کو مائع بنانا مشکل رہا، جب صفر viscosity کی سپر فلوئڈ خاصیت کی پہلی بار پیمائش کی گئی۔ یہ سوویت ماہر طبیعیات پیوٹر کپیٹزا اور آزادانہ طور پر کینیڈا کے محققین جیک ایلن اور ڈان میسنر دونوں نے کیا۔ ایک ایسے اقدام میں جسے کینیڈا کے کچھ طبیعیات دانوں نے معاف نہیں کیا، بشمول یہ جائزہ لینے والا، صرف کپیٹزا کو اس دریافت کے لیے 1978 کا نوبل انعام برائے طبیعیات سے نوازا گیا۔

ہیلیم II کے سب سے زیادہ دلچسپ پہلوؤں میں سے ایک یہ ہے کہ اس کی بہت سی منفرد اور کارآمد خصوصیات کو نسبتاً سادہ ماڈل کا استعمال کرتے ہوئے سمجھا جا سکتا ہے جو اسے انتہائی سیال اور عام سیال اجزاء کے طور پر بیان کرتا ہے۔ یہ دو سیال ماڈل 1930 کی دہائی کے آخر میں جرمن نژاد فرٹز لندن اور ہنگری کے لاسزلو ٹسزا نے تیار کیا تھا، اور یہ اس بات کی وضاحت کرنے میں بہت اچھا ہے کہ ہیلیم II کے ذریعے حرارت اور کمیت کیسے منتقل ہوتے ہیں - اور ویزینڈ بھی ان دونوں کو بیان کرنے میں بہت اچھا کام کرتا ہے۔ اس کی کتاب میں سیال ماڈل۔

ہیلیم II کی مکمل طور پر تیار شدہ کوانٹم مکینیکل وضاحت سوویت نظریاتی طبیعیات دان لیو لینڈاؤ نے 1941 میں تیار کی تھی، جس کے لیے اس نے 1962 میں نوبل انعام حاصل کیا تھا۔ اس کی کتاب میں.

ٹھنڈا رکھنا

اگرچہ طبیعیات دانوں کو 1940 کی دہائی تک ہیلیم II کی اچھی سمجھ تھی، لیکن یہ 1960 کی دہائی تک نہیں تھا جب اس مادے کی منفرد خصوصیات کا سائنسدانوں اور انجینئروں نے استحصال کرنا شروع کیا تھا - اور ویزینڈ نے اس کا زیادہ تر حصہ وقف کیا تھا۔ ضرورت سے زیادہ ان ایپلی کیشنز کو. وہ بتاتے ہیں کہ ہیلیئم II کی دو سب سے زیادہ کارآمد خصوصیات اس کا بہت کم درجہ حرارت اور اس کی بہت زیادہ حرارت کی ترسیل ہے، جو بعد میں ایک منفرد رجحان کی وجہ سے ہے جسے "اندرونی کنویکشن" کہا جاتا ہے۔

جب ہیلیم II درجہ حرارت کے میلان میں ہوتا ہے تو، سیال کا عام جزو گرم علاقے سے دور ہو جاتا ہے، جب کہ سپر فلوڈ جزو اس کی طرف بڑھتا ہے۔ Weisend وضاحت کرتا ہے کہ یہ عمل ہیلیم II کو ایک ناقابل یقین تھرمل موصل بناتا ہے - یہ گرمی کو ہٹانے میں تانبے سے تقریباً 1000 گنا زیادہ موثر ہے۔ اندرونی نقل و حرکت کا ایک اور فائدہ یہ ہے کہ گرمی کو اتنی تیزی سے منتقل کیا جاتا ہے کہ گرم ہونے کے ساتھ ہی ہیلیم II میں بلبلے نہیں بن سکتے، اس لیے دھماکہ خیز مواد کے ابلنے کا کوئی خطرہ نہیں ہے۔

اپنی عجیب کوانٹم خصوصیات کے باوجود، ہیلیم II عام سیال کی طرح بڑے پائپوں سے بہتا ہے، اس لیے اسے سنبھالنا نسبتاً سیدھا ہے۔ تاہم، سپر فلوڈ جزو چھوٹے چھیدوں سے بہت آسانی سے گزر سکتا ہے، جبکہ عام سیال ایسا نہیں کر سکتا۔ نتیجہ "فاؤنٹین اثر" ہے، جسے بغیر کسی میکانیکی ذرائع کے ہیلیم II کو پمپ کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔

نتیجہ یہ ہے کہ ہیلیم II بہت مؤثر طریقے سے مواد کی ایک وسیع رینج کو درجہ حرارت تک ٹھنڈا کر سکتا ہے جس پر وہ سپر کنڈکٹنگ بن جاتے ہیں۔ سپر کنڈکٹرز بڑے برقی رو کو گرم کیے بغیر لے جا سکتے ہیں، اور ویزینڈ نے اپنی کتاب میں ہیلیم II-کولڈ سپر کنڈکٹرز کے دو انتہائی مفید استعمال کو دیکھا ہے۔

زیر زمین سے بیرونی خلا تک

سب سے پہلے ابھرنے والی سپر کنڈکٹنگ ریڈیو فریکوئنسی (SRF) کیویٹی تھی، جسے 1960 کی دہائی میں چارج شدہ ذرات کو تیز کرنے کے لیے تیار کیا گیا تھا۔ ایک SRF گہا بنیادی طور پر ایک سپر کنڈکٹنگ ٹیوب میں ایک چیمبر ہے جو RF سگنل کے ساتھ گونجتا ہے۔ جیسے ہی RF توانائی کو گہا میں پمپ کیا جاتا ہے، ٹیوب کے ساتھ ساتھ ایک بہت بڑا الیکٹرک فیلڈ بن جاتا ہے۔ اگر چارج شدہ ذرہ صحیح وقت پر گہا میں متعارف کرایا جاتا ہے، تو یہ تیز ہو جائے گا. درحقیقت، جب کئی مختلف گہاوں کو جوڑ دیا جاتا ہے، تو بہت زیادہ تیز رفتاری حاصل کی جا سکتی ہے۔

ہیلیم II بہت مؤثر طریقے سے مواد کی ایک وسیع رینج کو درجہ حرارت تک ٹھنڈا کر سکتا ہے جس پر وہ سپر کنڈکٹنگ بن جاتے ہیں۔

ویزینڈ بتاتا ہے کہ کس طرح SRFs پر اہم کام کیا گیا تھا۔ سٹینفورڈ یونیورسٹی امریکہ میں، جہاں سٹینفورڈ سپر کنڈکٹنگ ایکسلریٹر 1960 کی دہائی میں بنایا گیا تھا۔ کتاب میں یہ بھی بتایا گیا ہے کہ کس طرح، 1980 کی دہائی میں، سائنسدانوں نے مسلسل الیکٹران بیم ایکسلریٹر کی سہولت (سی ای بی اے ایف) نے یو ایس میں کمرے کے درجہ حرارت کو تیز کرنے کی اسکیم کو روکا اور ہیلیئم II کولڈ ایس آر ایف پر ایک موقع لیا۔ 1990 کی دہائی میں، تیرا الیکٹران وولٹ انرجی سپر کنڈکٹنگ لکیری ایکسلریٹر جرمنی میں DESY میں (TESLA) پروجیکٹ نے ایک بین الاقوامی لکیری کولائیڈر (ILC) کے لیے SRFs تیار کرنے کی مہم کی قیادت کی، جو Large Hadron Collider (LHC) کا جانشین ہو سکتا ہے۔

عبوری طور پر، بہت سی دوسری لیبز نے ہیلیم II-کولڈ SRFs کو قبول کیا ہے، بشمول CERN۔ CERN میں SRFs کو ٹھنڈا کرنے کے ساتھ ساتھ، LHC کے میگنےٹ کو ہیلیم II کا استعمال کرتے ہوئے ٹھنڈا کیا جاتا ہے۔ ویزینڈ بتاتے ہیں کہ CERN اور دیگر لیبز میں استعمال ہونے والی میگنیٹ کولنگ ٹیکنالوجی کو ایک بہت ہی مختلف ایپلی کیشن کے لیے پیش کیا گیا تھا، جو مقناطیسی طور پر محدود ہائیڈروجن پلازما میں نیوکلیئر فیوژن بنانے کی جستجو تھی۔ یہ ٹور سپرا میں کیا گیا تھا، جو ایک فرانسیسی ٹوکامک تھا جو 1988 سے 2010 تک کام کرتا تھا اور اس کے بعد اسے اپ گریڈ اور نام دیا گیا ہے۔ مغرب. ٹوکامک Cadarache میں واقع ہے، جہاں فی الحال ITER فیوژن پاور ڈیمانسٹریٹر میگنےٹ کے ساتھ بنایا جا رہا ہے جسے ہیلیم II کے بجائے عام مائع ہیلیم سے ٹھنڈا کیا جائے گا۔

سپر فلوئڈ 'محسوس کرتا ہے' ایک حرارت چلانے والی سطح کی طرح جو خالی اندرونی حصے کو گھیرے ہوئے ہے۔

ایک اور سپر فلوئڈ انجینئرنگ کارنامہ جس کا ویزینڈ تفصیل سے احاطہ کرتا ہے۔ انفراریڈ فلکیاتی سیٹلائٹ (IRAS)، جسے 1983 میں لانچ کیا گیا تھا اور خلا میں ہیلیم II کا پہلا نمایاں استعمال تھا۔ ویزینڈ بتاتا ہے کہ کس طرح IRAS ڈیزائنرز نے اہم چیلنجوں پر قابو پالیا جس میں ہیلیم بخارات کو کم کشش ثقل کے ماحول میں مائع کے بلابوں کے ساتھ ملایا جاتا ہے۔

IRAS نے بہت سی انفراریڈ اشیاء کو دریافت کرتے ہوئے 300 دنوں تک ضرورت سے زیادہ کولنگ کو برقرار رکھا۔ اس کی کامیابی نے مستقبل کے مشنوں کو متاثر کیا جس میں ہیلیم II کا استعمال کیا گیا، بشمول Cosmic Background Explorer (COBE)۔ یہ 1989 میں شروع ہوا، اور جارج سموٹ اور جان ماتھر کو 2006 میں کائناتی مائیکرو ویو کے پس منظر کی انیسوٹروپی دریافت کرنے پر فزکس کا نوبل انعام دیا گیا۔

ہیلیم II کے ماضی اور حال کو دیکھنے کے ساتھ ساتھ، ضرورت سے زیادہ مستقبل کی طرف دیکھتا ہے. ویزینڈ بتاتے ہیں کہ خلا میں ہیلیم II کا دور شاید مکینیکل کولرز کی ترقی کی وجہ سے ختم ہو گیا ہے جو بہت کم درجہ حرارت تک پہنچ سکتے ہیں۔ وہ مختصراً دوسرے ہیلیئم سپر فلوئڈ، ہیلیم-3 کو بھی چھوتا ہے، اور یہ کہ اسے ہیلیم II کے ساتھ مل کر استعمال کیا جا سکتا ہے تاکہ چیزوں کو کم درجہ حرارت پر کم کرنے والے ریفریجریٹر میں ٹھنڈا کیا جا سکے۔

اگرچہ ہم اب خلا میں سپر فلوئڈز کو لانچ نہیں کر رہے ہیں، ویزینڈ یہ واضح کرتا ہے کہ یہاں زمین پر مستقبل کی بہت سی ایپلی کیشنز موجود ہیں۔ درحقیقت، ہیلیم II-کولڈ فیوژن پاور پلانٹس معیشت کو ڈیکاربونائز کرنے میں مدد کر سکتے ہیں اور اگلی نسل کے ایکسلریٹر جلد ہی ہمیں معیاری ماڈل سے آگے طبیعیات کا نظارہ دے سکتے ہیں۔

• 2023 Springer 150pp $29.99pb

• SEO سے چلنے والا مواد اور PR کی تقسیم۔ آج ہی بڑھا دیں۔
• پلیٹو ڈیٹا ڈاٹ نیٹ ورک ورٹیکل جنریٹو اے آئی۔ اپنے آپ کو بااختیار بنائیں۔ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• پلیٹوآئ اسٹریم۔ ویب 3 انٹیلی جنس۔ علم میں اضافہ۔ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• پلیٹو ای ایس جی۔ کاربن، کلین ٹیک، توانائی ، ماحولیات، شمسی، ویسٹ مینجمنٹ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• پلیٹو ہیلتھ۔ بائیوٹیک اینڈ کلینیکل ٹرائلز انٹیلی جنس۔ یہاں تک رسائی حاصل کریں۔
• ماخذ: https://physicsworld.com/a/superfluidity-the-mysterious-quantum-effect-that-became-a-backbone-of-experimental-physics/