Свръхтечност — определение, свойства и приложения

Открийте свръхтечността (свръхфлуид): дефиниция, уникални свойства при екстремно ниски температури и приложения в космоса, жироскопи и оптика.

Свръхфлуидността е състояние на материята, при което дадена течност може да се държи много странно. Това е макроскопски квантов феномен: голям брой частици заемат едно и също квантово състояние (Бозе–Айнщайнов кондензат), което дава възможност за поведение, което няма аналог в обикновените течности при стайна температура.

Как се появява и при кои вещества

Свръхтечности се наблюдават при екстремно ниски температури, близки до абсолютната нула. Класически пример е хелий-4: когато се охлади под т.нар. лямбда-точка при приблизително 2,17 K (≈ −270,98 °C), част от течността преминава в свръхфлуидно състояние. Хелий-3, който е фермион, проявява свръхфлуидност при още много по-ниски температури (в миликелвини) чрез механизъм, подобен на образуването на Куперови двойки в свръхпроводници.

Основни свойства

• Тя може да тече изключително лесно. (Лекотата, с която течността може да тече, се нарича вискозитет.) Всъщност тя тече толкова лесно, че триенето не променя начина, по който тече; тя има нулев вискозитет. Поради тази причина тя може да изтича от съд, например купа, дори когато купата не е наклонена, така че течността да се разлее.

  Допълнение: Във вътрешността на свръхфлуида съществуват две компоненти — нормална (с вътрешна вязкост и ентропия) и свръхтечна (без вискозитет). Динамиката на тези две съставни части се описва с двуфлуидния модел.

• Той остава неподвижен, когато контейнерът му се завърти, вместо да започне да се върти, както когато се източва мивка, пълна с вода. Въпреки това се образува водовъртеж, ако контейнерът се върти с определена скорост и над нея.

  Допълнение: При въртене на контейнера свръхтечността може да образува квантовани вихри — дискретни, струноподобни структури с определен ъгъл на въртене (квантован въртящ момент). Тези вихри са едни от най-видимите проявления на макроскопичната квантова природа на състоянието.

• Капилярни и филмови ефекти: свръхфлуидите могат да образуват тънки филми (понякога наричани Rollin филм), които „пълзят“ по външни повърхности и могат да изтичат от затворен съд.
• Топлопроводност и „втори звук“: свръхфлуидът провежда топлината по нетипичен начин — вместо обикновен топлинен дифузен поток се наблюдава вълново пренасяне на топлина (т.нар. втори звук).

Физичен произход

За хелий-4 свръхфлуидността се обяснява с това, че атомите са бозони и при достатъчно ниски температури образуват Бозе–Айнщайнов кондензат, при който много атоми споделят обща квантова вълнова функция. При хелий-3, като фермион, явлението изисква образуване на двойки (аналогично на Куперовите двойки в свръхпроводниците) и се проявява на много по-ниски температури.

Приложения и експерименти

Досега учените са успели да създадат свръхфлуиди само при изключително ниски температури. Въпреки това свръхфлуидите имат доста приложения в науката днес, като например:

• През 1983 г. в специален сателит е използван свръхтечен хелий с температура -271,4 градуса по Целзий [-456,2 градуса по Фаренхайт], за да се получи информация за инфрачервените вълни в космоса.

  Допълнение: Свръхтечният хелий често се използва като хладилен агент за инфрачервени и микровълнови детектори, тъй като поддържа много ниски и стабилни температури без конвекционни смущения.

• Свръхфлуидите могат да се използват в жироскопи, за да се помогне на машините да предвидят информация за движенията на гравитацията, която не може да се улови само с обикновени инструменти.

  Допълнение: Свръхтечните гироскопи и квантовите сензори използват липсата на вискозитет и квантовите свойства на свръхфлуида за по-висока чувствителност при измерване на ъглова скорост, инерция и гравитационни ефекти.

• Един вид свръхфлуид е използван за улавяне и забавяне на светлинен лъч от нормалната му скорост от 670 600 000 мили в час (1 079 000 000 км/ч) до само 38,03 мили в час (62,2 км/ч) Това означава, че светлинният лъч се е движил със скорост 0,00000567104 % от скоростта си във вакуум, или 17 милиона пъти по-бавно.

  Допълнение: Подобни експерименти за забавяне на светлина са извършени в бозе–айнщайнови кондензати (ултраохладени газове като натрий или рубидий), които също проявяват свръхфлуидни свойства. Това има значение за изучаване на оптотроника, квантови памети и манипулация на светлината в квантови технологии.

• Научни изследвания и базови науки: свръхфлуидите служат като лаборатория за изучаване на макроскопични квантови явления — квантовани вихри, тунелиране, кохерентност и флуктуации при ниски температури.
• Приложения в метролoгията и квантовите сензори: разработват се устройства за високо прецизни измервания на гравитация, инерция и магнитни полета, както и компоненти за атомни интерферометри.
• Развойни технологии: концепции като «atomtronics» използват свръхфлуиди от ултраохладени атоми като аналог на електронни вериги за изследване на нови квантови устройства.

Свръхтвърдо вещество и други свързани състояния

Съществува и друго състояние на материята, наречено свръхтвърдо вещество, въпреки че начинът на образуването му е по-сложен. Свръхтвърдостта предполага съчетание на кристална (твърда) структура и свръхтечно (свръхфлуидно) носене на маса — тема на активни изследвания и дебати през последните десетилетия.

Обобщение

Свръхфлуидите са пример за това как квантовите закони, които обикновено мислим за микроскопични, могат да доминират и предизвикат необичайни макроскопски ефекти. Те подпомагат развитието на фундаменталната наука и на приложения в сензорика, астрофизика, квантови технологии и охлаждане на детектори. Въпреки че за практическа употреба изискванията за много ниски температури ограничават масовото приложение, продължаващите изследвания и напредъкът в техниките за охлаждане разширяват възможностите им.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява свръхфлуидността?

В: Как се държи свръхтечността в контейнер?

В: Какво е необходимо за създаването на свръхфлуиди?

В: Какви са приложенията на свръхфлуидите в науката?

Въпрос: Какво е свръхтвърдо вещество?

В: Какво е вискозитет?

В: Може ли да се получи свръхфлуидност при стайна температура?

Търсене по буква