|
|
 |
Γεύση υπερστερεών
|
|
|
|
|
|
|
Τα στερεά και τα υγρά δεν θα μπορούσαν να διαφέρουν περισσότερο, αφού τα πρώτα διατηρούν σταθερό σχήμα ενώ τα δεύτερα ρέουν και λαμβάνουν το σχήμα οποιουδήποτε δοχείου τα περιέχει. Όμως, από όλη την ύλη που ρέει και χύνεται, τα υπερρευστά αποτελούν την πεμπτουσία της υγρής κατάστασης ―διέρχονται μέσα από μικροσκοπικούς διαύλους χωρίς καμία αντίσταση, ενώ σκαρφαλώνουν ακόμη και στα τοιχώματα ενός δοχείου με την πρόθεση να αποδράσουν.
Ο όρος υπερρευστό στερεό ακούγεται σαν σχήμα οξύμωρο· αλλά ένα τέτοιο στερεό παρατήρησαν πρόσφατα ερευνητές του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Πενσιλβανίας. Οι φυσικοί Moses Chan και Eun-Seong Kim μελέτησαν τη συμπεριφορά του ηλίου 4 το οποίο μέσω συμπίεσης μετέτρεπαν σε στερεό και έψυχαν σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. Παρότι η δυνατότητα υπερστερεής συμπεριφοράς είχε προταθεί θεωρητικά ήδη από το 1969, η επίδειξή της στην πράξη φέρνει τους θεωρητικούς αντιμέτωπους με ένα βαθύ μυστήριο.
Ένας τρόπος μέσω του οποίου τα υπερρευστά αποκαλύπτουν τις ιδιάζουσες ιδιότητές τους είναι η περιστροφή. Πάρτε ένα δοχείο συνήθους υγρού ηλίου και στριφογυρίστε το αργά, μετά δε ψύξτε το μέχρι τους 2 κέλβιν ώστε μέρος του ηλίου να καταστεί υπερρευστό. Το υπερρευστό τμήμα δεν θα περιστρέφεται. Επειδή μέρος του ηλίου παραμένει ακίνητο, η απαιτούμενη δύναμη για να τεθεί τώρα δοχείο και ήλιο σε περιστροφή είναι μικρότερη. Σε τεχνική ορολογία, η ροπή αδράνειας του ηλίου μειώνεται. Οι Chan και Kim παρατήρησαν πράγματι μια ανάλογη μείωση της ροπής αδράνειας σε ένα δακτύλιο στερεού ηλίου. Υπέβαλλαν υγρό ήλιο σε πίεση 26 ατμοσφαιρών, αναγκάζοντας έτσι τα άτομά του να «καρφωθούν» στο χώρο σχηματίζοντας ένα σταθερό πλέγμα. Ακολούθως, παρατήρησαν τις ταλαντώσεις του ηλίου καθώς στριφογύριζε στην άκρη μιας μεταλλικής ράβδου. Οι ταλαντώσεις εκτελούνταν ταχύτερα όταν η ροπή αδράνειας μειωνόταν. Προς έκπληξή τους, ανακάλυψαν ότι περίπου 1% του δακτυλίου παρέμενε ακίνητο, ενώ το υπόλοιπο 99% εξακολουθούσε να περιστρέφεται κανονικά. Το ένα στερεό μπορούσε, με κάποιον τρόπο, να κινείται ανεμπόδιστα διαμέσου του άλλου.
Αλλά πώς μπορεί ένα στερεό να συμπεριφέρεται σαν υπερρευστό; Όλα τα συνηθισμένα υπερρευστά δημιουργούνται χάρις στη συμπύκνωση Bose-Einstein, δηλαδή της κβαντικής διαδικασίας κατά την οποία μεγάλος αριθμός σωματιδίων καταλαμβάνει την ίδια κβαντική κατάσταση. Για το λόγο αυτό, το αποτέλεσμα των Chan και Kim υποδηλώνει ότι το 1% των ατόμων του στερεού ηλίου σχημάτισε, με κάποιον τρόπο, ένα συσσωμάτωμα Bose-Einstein, παρά το γεγονός ότι τα άτομα παρέμεναν προσκολλημένα στις θέσεις τους μέσα στο σταθερό πλέγμα. Το γεγονός μοιάζει αντιφατικό, ωστόσο ίσως επιτρέπεται από την ανταλλαγή ατόμων μεταξύ θέσεων του πλέγματος. Την ιδέα της συμπύκνωσης υποστηρίζει και το γεγονός ότι οι δύο ερευνητές δεν παρατήρησαν την εκδήλωση υπερρευστότητας στο στερεό ήλιο 3 ―ισότοπο του ηλίου το οποίο ως υγρό υφίσταται και αυτό ένα είδος συμπύκνωσης, ωστόσο σε θερμοκρασίες πολύ χαμηλότερες από αυτές που χρειάζεται το υγρό ήλιο 4.
Μια άλλη πιθανότητα είναι ο κρύσταλλος του ηλίου να περιέχει πολυάριθμες ατέλειες και κενές θέσεις στο πλέγμα του. Ίσως οι ατέλειες και τα κενά να είναι αυτά που ουσιαστικά υφίστανται τη συμπύκνωση Bose-Einstein.
Όλες αυτές οι θεωρίες φαίνεται να υποδηλώνουν ότι η υπερρευστότητα θα μεταβαλλόταν συναρτήσει της πίεσης, ωστόσο οι Chan και Kim παρατήρησαν το φαινόμενο απαράλλακτο καθ’ όλη την κλίμακα εφαρμοζόμενης πίεσης, από τις 26 έως τις 66 ατμόσφαιρες. Ο Douglas D. Osheroff, του Πανεπιστημίου Stanford, ο οποίος συμμετείχε στην ανακάλυψη της υπερρευστότητας του ηλίου 3, χαρακτηρίζει τη μη εξάρτηση από την πίεση «κάτι παραπάνω από αινιγματική». Επισημαίνει ότι οι Chan και Kim έκαναν «όλα τα προφανή πειράματα για να διαπιστώσουν αν επρόκειτο για ψευδές εύρημα». «Αν έχουν δίκιο» προσθέτει «τότε ελπίζω οι θεωρητικοί να προσπαθούν στα σοβαρά να διαλευκάνουν το θέμα.»
|
|
|
|
|
|
