Superfluidsus: definitsioon, omadused ja teaduslikud rakendused
Avasta superfluidsuse definitsioon, erakordsed omadused ja teaduslikud rakendused — alates null-viskoossusest ja külmheeliumist kuni valguse aeglustamise ja güroskoopiliste tehnoloogiateni.
Superfluidsus on aine seisund, kus vedelik võib käituda väga kummaliselt ja erinevalt tavapärasest makroskoopilisest voolamisest. Füüsikaliselt on tegemist makroskoopilise kvantseisundiga, kus suure osa osakestest on koherentne ja käituvad nagu üks ainete kollektiivne kvantobjekt.
Peamised omadused
- Nullviskoossus: Superfluid voolab väga kergesti — nii kergesti, et selles puudub sisemine hõõrdumine, st viskoossus on (praktiliselt) null. (Seda, kui kergesti vedelik voolab, nimetatakse selle viskoossuseks.)
- Rollini film ja mädanematu vool: Superfluidid kipuvad moodustama väga õhukest pinda mööda voolavaid kihte (Rollini film), mistõttu võivad nad "ronida" konteineri seinte üles ja voolata välja isegi siis, kui mahuti pole kallutatud.
- Püsivad voolud: Superfluidis võivad tekkida tuhandete aastate vältel püsivad ringvoolud ilma märgatava energiahävimiseta — sarnane ideaalsele friktsioonivabale elektrivoolule.
- Kvantitud keerised (vorteksid): Kui superfluidis tekib keeris, on selle pöörlemine kvantiseeritud — keerise ümber on täisarvuline arv kvantiseeritud impulssuhteid. See on oluline erinevus klassikalistest keeristest.
- Fountain-efekt ja teine heli: Superfluididel on mitmeid mittetavalisi termodünaamilisi nähtusi, näiteks aurustumise ja rõhu vahelise seose teistsugune käitumine (fountain effect) ning nn "teine heli" — temperatuurilainete laine, mis levib nagu heli, kuid soojusena.
- Kriitiline kiirus: Superfluid säilitab oma olemuse ainult kuni teatud kriitilise voolukiiruseni; üle selle hakkavad tekkima vabastavad mekanismid (vorteksid jne) ja superfluidne käitumine kaob.
Quantumselgitus lühidalt
Superfluidsuse põhjus on kvantmehaaniline: madalatel temperatuuridel satuvad osakesed madalaima energeetilise oleku ümber ja moodustavad korrellatsiooni ehk Bose–Einsteini kondensaadi (bosonitel) või paaritunud fermionide makroskoopilise kvantseisundi (nt heelium-3 puhul). See põhjustab suure hulga makroskoopiliste nähtuste, mis ei selgu klassikalise vedelike teooriaga.
Praktilised näited ja teaduslikud rakendused
- Superfluidset heeliumi temperatuuril -271,4 kraadi Celsiuse järgi [-456,2 kraadi Fahrenheiti järgi] kasutati 1983. aastal spetsiaalses satelliidis, et saada teavet infrapunalainete kohta kosmoses. Heelium-4 muutub superfluidseks alla niinimetatud lambda-punkti (umbes 2,17 K) ja heelium-3 superfluidus tekib veel palju madalamal temperatuuril, sageli millikelvini tasemel.
- Superfluidseid süsteeme kasutatakse äärmiselt täpsete güroskoopide ja nurkpositsiooni- ning gravitatsioonimõõturite arendamisel, sest püsivad voolud ja kvantitud vorteksid annavad väga stabiilseid signaale, mida tavainstrumentidega on raske fikseerida.
- Ühes eksperimendis kasutati superfluidset tüüpi (täpsemalt väga külma Bose–Einsteini kondensaati) valguse "püüdmiseks" ja aeglustamiseks selle tavapärasest kiirusest 670 600 000 mph (1 079 000 000 000 km/h) vaid 38,03 mph (62,2 km/h) kiirusele. See tähendab, et valguskiir liikus 0,00000567104 % oma kiirusest vaakumis ehk umbes 17 miljonit korda aeglasemalt. Selliseid katseid kasutati kvantinfo uuringutes ja valguse–aine vastastikmõju paremaks mõistmiseks.
- Lisaks põhiteadusele uuritakse superfluide sensoreid, täppismõõtureid ja võimalikke rakendusi külmikusüsteemides, kvantarvutite komponentides ning fundamentaalfüüsika testimisel (näiteks makroskoopilise kvantoleku ja decoherence uuringud).
Erinevad liigid
Levinumad superfluidsed süsteemid on:
- Heelium-4 (He-II): klassikaline superfluid, mis tekib madalal temperatuuril ja põhineb bosonide käitumisel.
- Heelium-3: fermionidest koosnev aine, mis muutub superfluidseks läbi paaritumismehhanismi (sarnane sellega, mis toimub superjuhtivuses) ja nõuab oluliselt madalamat temperatuuri.
- Ultrakülmad aatomigased (BEC): laboritingimustes loodud Bose–Einsteini kondensaadid atomitest (nt naatrium, rubiidium), mida kasutatakse kvantkatseteks, sealhulgas valguse aeglustamiseks ja kvantsimulatsioonideks.
Seos superjuhtivusega
On olemas veel üks aine seisund, mida nimetatakse superkivisteks, kuigi nende moodustumine on keerulisem. Superjuhtivus on analoogne nähtus, kus elektrit kannavad laengukandjad voolavad ilma elektriresistentsita; superjuhtivuses ja superfluidsuses on mõlemal juured kvantmehaanikas, kuid need mõjutavad eri tüüpi vastastikmõjusid (laeng vs. mass/voog).
Lõppsõna
Superfluidsus on rikas ja mitmekesine valdkond, mis ühendab makroskoopilist ja kvantmehaanilist käitumist. Kuigi enamik superfluidseid süsteeme eksisteerib ainult väga madalatel temperatuuridel, pakub nende uurimine sügavat arusaama kvantfüüsikast ning võimalusi täppistehnoloogiate arendamiseks.
Küsimused ja vastused
K: Mis on ülivoolavus?
V: Ülevoolavus on aine olek, kus vedelik võib voolata äärmiselt kergesti, nullviskoossusega.
K: Kuidas käitub superfluitiivsus mahutis?
V: Superfluide võib konteinerist välja voolata isegi siis, kui see ei ole kallutatud. Kui selle mahutit keeratakse, jääb see paigale, selle asemel et alustada keerist, välja arvatud juhul, kui seda keeratakse teatud kiirusel ja üle selle.
K: Mida on vaja superfluidi tekitamiseks?
V: Teadlased on suutnud superfluide luua ainult väga külmadel temperatuuridel.
K: Millised on superfluidide kasutusalad teaduses?
V: Superfluide kasutatakse teaduses mitmeti, sealhulgas kasutatakse neid spetsiaalses satelliidis, et saada teavet infrapunalainete kohta kosmoses, kasutatakse güroskoopides, et aidata masinatel ennustada teavet raskusjõu liikumise kohta, ning kasutatakse valgusvihu püüdmiseks ja aeglustamiseks.
K: Mis on supersulfaat?
V: Superkivim on aine teine olek, kuid selle moodustumine on keerulisem.
K: Mis on viskoossus?
V: Viskoossus mõõdab, kui kergesti vedelik voolab. Mida suurem on viskoossus, seda vastupidavam on vedelik voolamisele.
K: Kas toatemperatuuril võib tekkida ülivoolavus?
V: Ei, praegu on teadlased suutnud superfluide luua ainult väga külmadel temperatuuridel.
Otsige