Supertekočnost: definicija, lastnosti, primeri in uporabe

Supertekočnost je stanje snovi, v katerem se lahko tekočina obnaša zelo nenavadno.

Nekatere stvari, ki jih lahko supertekočina počne, so:

• Izjemno lahko teče. (Kako lahko tekočina teče, imenujemo njena viskoznost.) Teče tako zlahka, da trenje ne spremeni njenega toka; njena viskoznost je enaka nič. Zaradi tega lahko dejansko izteče iz posode, kot je skleda, tudi če skleda ni nagnjena, tako da se tekočina lahko razlije.
• Ob vrtenju posode ostane pri miru, namesto da bi se sprožil vrtinec, kot se to zgodi pri praznjenju pomivalnega korita, polnega vode. Vendar pa se vrtinec ustvari, če posodo vrtimo z določeno hitrostjo in nad njo.

Znanstveniki so supertekočine doslej lahko ustvarili le pri izjemno nizkih temperaturah. Vendar pa se supertekočine danes v znanosti uporabljajo v številnih primerih, kot so:

• Supertekoči helij s temperaturo -271,4 stopinj Celzija [-456,2 stopinj Fahrenheita] je bil leta 1983 uporabljen v posebnem satelitu za pridobivanje informacij o infrardečih valovih v vesolju.
• Supertekočine se lahko uporabljajo v žiroskopih, ki pomagajo strojem predvideti informacije o gibanju težnosti, ki jih ni mogoče zajeti le z običajnimi instrumenti.
• Z eno vrsto supertekočine so ujeli in upočasnili svetlobni žarek z običajne hitrosti 670 600 000 mph (1 079 000 000 000 km/h) na samo 38,03 mph (62,2 km/h), kar pomeni, da se je svetlobni žarek gibal z 0,00000567104 % svoje hitrosti v vakuumu ali 17 milijonkrat počasneje.

Obstaja tudi drugo stanje snovi, ki se imenuje nadtrdna snov, čeprav je njihov nastanek bolj zapleten.

Kaj je vzrok supertekočnosti?

Supertekočnost je makroskopski učinek kvantne fizike: mnogo delcev v tekočem stanju se obnaša kot ena kollektiven kvantni valovni paket (enotna valovna funkcija). Pri nekaterih snoveh se delci pri zelo nizkih temperaturah kondenzirajo v stanje, kjer so njihove kvantne lastnosti usklajene na velikih razdaljah. Ta pojav je tesno povezan z Bose–Einsteinovim kondenzatom (za delce z integralnim spinom) in z lepljenjem parov fermionov (pri snoveh kot je helij-3).

Glavne lastnosti supertekočin

• Minimalna ali ničelna viskoznost: tekočina se giblje brez upora in ne izgublja kinetične energije z notranjim trenjem.
• Rollinov film (capičnostna ploskev): supertekočina lahko tvori zelo tanek film, ki "plazi" po površinah in celo preide rob posode.
• Fountain effect (fontanska pojavnost): ko se skozi supertekočino dovaja toplotna razlika ali tlačna različica, lahko tekočina teče skozi kapilare in dviguje pritisk, kar je nasproten običajnim pričakovanjem.
• Kvantizirane vrtince: vrtinci v supertekočini imajo diskretne vrednosti vrtilne količine — nastanejo cevi vrtincev z jedri, kjer supertekočnost izgine.
• Drugi zvok: supertekočine prenašajo tudi valove temperaturnih nihanj kot valovno gibanje (imenovano "drugi zvok"), ločeno od običajnih gostinskih (prvega) zvoka.

Primeri supertekočin in pogoji

• Najbolj znani primeri so helij-4 in helij-3. Helij-4 postane supertekoč pri temperaturah pod približno 2,17 K (lambda točka). Helij-3, ki je fermion, velja supertekoč pri mnogo nižjih temperaturah (miliKelvini), saj morajo atomi najprej tvoriti pare in ravno ti pari obnašajo kot bosoni.
• Poleg helija so supertekočnost in sorodni pojavi opaženi tudi v ultrahladnih atomski plazmi, kjer ustvarijo Bose–Einsteinov kondenzat, ter v nekaterih kvazidelcih (npr. polaritoni) pri laboratorijskih pogojih.
• V praksi zahteva supertekočnost izjemno nizke temperaturne pogoje in specializirano opremo (kriohene, hladilni sistemi, vakuumske komore).

Uporabe in raziskave

Supertekočine imajo več uporab in zelo pomembno vlogo v znanstvenih raziskavah:

• Hladilne tekočine v vesoljskih instrumentih: supertekoči helij je bil in je še uporabljen za hlajenje infrardečih detektorjev v satelitih in teleskopih, ker omogoča ohranjanje zelo nizkih temperatur in stabilnih meritev.
• Naprave za natančno merjenje gibanja: zaradi svojega koherentnega kvantnega vedenja se supertekočine preučujejo za uporabo v žiroskopih in drugih instrumentih, ki merijo zelo majhne spremembe v gibanju.
• Temeljne raziskave kvantne mehanike: supertekočnosti omogočajo preučevanje makroskopskih kvantnih pojavov, kvantne turbulence, kvantiziranih vrtincev in interakcij v kondenzatih.
• Učinki na svetlobo in informacije: v eksperimentih z ultrahladnimi plini (Bose–Einsteinovi kondenzati) so uspeli močno upočasniti ali celo začasno zadržati svetlobne pulze — to odpira pot raziskavam v manipulaciji s svetlobnimi informacijami.
• Raziskave prihodnjih tehnologij: take snovi so koristne v preizkušanju konceptov za kvantne senzorje, merilnike in morebitne kvantne naprave, čeprav komercialna raba zaradi zahtev po hlajenju ostaja omejena.

Razlike med supertekočnostjo in supravodnostjo

Čeprav sta oba pojma makroskopska kvantna pojava, je ključna razlika v tem, kaj teče brez upora: v supertekočnosti gre za prenos mase (tekočine brez viskoznosti), v supravodnosti pa za prenos električnega toka brez električnega upora. V nekaterih primerih (npr. superfluidni ultrahladni atomi ali parni sistem) se lahko pojavi oboje ali so pojavi tesno povezani z vezavo kvantnih stanj.

Omejitve in prihodnost

Glavna omejitev supertekočin je potreba po zelo nizkih temperaturah, kar zahteva zapletene in drage hladilne sisteme. Kljub temu napredek v tehnologijah hlajenja in manipulacije ultrahladnih atomov odpira nove možnosti za uporabo v natančnih merjenjih, kvantni informacijski znanosti in v nadaljnjih temeljnih raziskavah kvantne fizike.

Če želite izvedeti več, lahko začnete s primeri, ki so navedeni zgoraj, in preberete nadaljnje vire o heliju, Bose–Einsteinovih kondenzatih ter o kvantnih fluidih.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je superfluidnost?

V: Kako se supertekočina obnaša v posodi?

V: Kaj je potrebno za nastanek supertekočine?

V: Kako se supertekočine uporabljajo v znanosti?

V: Kaj je nadtrdna snov?

V: Kaj je viskoznost?

V: Ali se lahko superfluidnost pojavi pri sobni temperaturi?

Išči po črki