נוזל-על

נוזל המאופיין בהיעדרות מוחלטת של צמיגות

נוזל-על (או לפעמים על-נוזל) הוא נוזל המאופיין בהיעדר מוחלט של צמיגות, כלומר אפס חיכוך בין חלקיקי החומר. מצב זה נחשב למצב צבירה חמישי בנוסף למוצק, נוזל, גז ופלזמה, והוא קורה בטמפרטורות קרובות מאוד לאפס המוחלט. אם נוזל-על יוּנח בכוס ויקבל בחישה ראשונית, הוא ימשיך להסתחרר עד אין קץ, כל עוד לא יעבור למצב צבירה אחר. מצב צבירה זה נתגלה על ידי פיוטר ליאונידוביץ' קפיצה, ג'ון אלן ודון מיסנר בשנת 1937.

אף על פי שמצב זה התגלה לראשונה בהליום נוזלי, יש לו גם השלכות באסטרופיזיקה, פיזיקה של אנרגיות גבוהות, ובתאוריות כבידה קוונטית. התופעה קשורה בעיבוי בוז-איינשטיין אך אינה זהה לו, קרי ייתכן נוזל-על שאינו עיבוי בוז-איינשטיין ועיבוי בוז-איינשטיין שאינו נוזל-על.

הליום II "יזחל" על משטחים כדי להשוות את רמתו בשני כלי הקיבול כך שלאחר זמן מה הרמות בשני המכלים ישתוו. כמו כן יצפה ציפוי רולין (אנ') את פנימו של המיכל הגדול, שאם לא יאטם, "יזחל" ההליום II החוצה ויתנדף.
ההליום הנוזלי בשלב של נוזל-על. כל עוד הוא בשלב נוזלות-על, ההליום הנוזלי יטפס במעלה הכוס בצורת קרום דק. לאחר מכן יגלוש על הצד החיצון וייצור טיפה אשר תיפול על הנוזל שלמטה. אז תיווצר טיפה נוספת וחוזר חלילה עד שהכוס תתרוקן.

נוֹזְלוּת-על של הליום-4עריכה

תופעת נוזלות-העל בהליום נוזלי התגלתה בידי פיוטר קפיצה וג'ון אלן (John F. Allen). מאז הוסברה תופעה זו באמצעות תאוריות פנומונולוגיות ותצפיות מיקרוסקופיות. לדוגמה, הליום-4 יהפך לנוזל-על כאשר הטמפרטורה שלו נמוכה במקצת מ-2.2 קלווין (270.95°-  מעלות צלזיוס).
מעבר זה לנוזלות-על בהליום-4 מתרחש בטמפרטורה גבוהה מזו בה הוא מתרחש בהליום-3. כל אטום של הליום-4 הוא בוזון כיוון שיש לו ספין כולל של 0. הליום-3, לעומת זאת, הוא פרמיון, כלומר יש לו ספין כולל של 1/2, והוא יכול ליצור בוזונים רק על ידי זיווג בטמפרטורות נמוכות בהרבה. תהליך זה דומה לתהליך של זיווג אלקטרונים במוליכות-על.[1][2]

אטומי גז בטמפרטורה נמוכה מאודעריכה

תופעת נוֹזְלוּת-העל בגז פרמיוני בטמפרטורה נמוכה מאוד הוּכחה בניסוי של וולפגנג קטרלה וצוותו שצפו במערבולת קוונטית ב-6Li בטמפרטורה של 50 nK (אפריל 2005, המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס).[3][4]
מערבולות כאלו נצפו כבר בשנת 2000 בגז בוזוני של 87Rb בטמפרטורה נמוכה מאוד[5] ולאחרונה גם בגזים דו-ממדיים.[6]
עוד ב-1999 יצרה לנה האו עיבוי כזה תוך שימוש באטומי נתרן להאטת אור[7] ולאחר מכן לעצירתו המוחלטת.[8] צוותה השתמש לאחר מכן במערכת זו של אור דחוס[9] כדי ליצור את מקבילת נוזלות-העל של גלי הלם וסופות טורנדו: "תוצאתם של עירורים דרמטיים אלו היא יצירתם של סוליטונים שבתורם דועכים לתוך מערבולת קוונטית — שנוצרו בשיווי משקל רעוע מאוד, בזוגות של עירבול מנוגד — ובכך מגלים ישירות את תהליך ההתפרקות של נוזל-על בעיבויי בוז-איינשטיין. בשימוש במחסומי אור כפולים נוכל לייצר התנגשויות מבוקרות בין גלי הלם שתוצאתן הבלתי צפויה לחלוטין היא עוררויות לא-ליניאריות. צפינו במבנים היברידיים המורכבים מטבעות מערבולת המקובעות בקליפות סוליטוניות אפלות. טבעות המערבולת מתנהגות כ'מדחפים מדומים' המובילים לדינמיקת עוררות עשירה ביותר."[10]

נוזלי-על באסטרופיזיקהעריכה

הרעיון שנוזלי-על מתקיימים בתוך כוכבי נייטרונים הוצע לראשונה על ידי ארקדי מגדל,[11][12] באנלוגיה לאלקטרונים בתוך מוליך-על היוצרים זוגות קופר בתגובה להידוד רשת האלקטרונים, צפוי שהנוקליאונים בכוכב הנייטרונים כאשר הם בצפיפות גבוהה וטמפרטורה נמוכה מספיק, יוכלו אף הם ליצור זוגות קופר בשל הכח המושך הגרעיני ארוך הטווח, ויובילו לנוזלות-על ומוליכות-על.[13]

נוזלות-על בפיזיקה של אנרגיות גבוהות וכח משיכה קוונטיעריכה

תאוריית הריק כנוזל-על היא גישה בפיזיקה תאורטית ובמכניקת הקוונטים שבה רואים את הריִק הפיזי כנוזל-על.
מטרתה הסופית של גישה זו היא לפתח דגמים מדעיים שיאחדו את מכניקת הקוונטים (המתארת שלושה מארבעת יחסי הגומלין הידועים) עם הכבידה. כך הופכת תאוריית הריק כנוזל-על למועמדת לתאוריית כח-כבידה קוונטי ולהרחבה של המודל הסטנדרטי. התקווה היא שפיתוחה של תאוריה שכזו תאחד לדגם עקבי יחיד את כל יחסי הגומלין ותתאר את כל יחסי הגומלין והחלקיקים היסודיים כהתגלמותה של אותה ישות, ריק כנוזל-על.[14]

ראו גםעריכה

קישורים חיצונייםעריכה

  מדיה וקבצים בנושא נוזל-על בוויקישיתוף


הערות שולייםעריכה

  1. ^ Hall, H. E.; Vinen, W. F. (1956). "The Rotation of Liquid Helium II. II. The Theory of Mutual Friction in Uniformly Rotating Helium II". Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 238 (1213): 215. Bibcode:1956RSPSA.238..215H. doi:10.1098/rspa.1956.0215. 
  2. ^ Avenel, O.; Varoquaux, E. (1985). "Observation of Singly Quantized Dissipation Events Obeying the Josephson Frequency Relation in the Critical Flow of Superfluid ^{4}He through an Aperture". Physical Review Letters 55 (24): 2704–2707. Bibcode:1985PhRvL..55.2704A. PMID 10032216. doi:10.1103/PhysRevLett.55.2704. 
  3. ^ "MIT physicists create new form of matter". בדיקה אחרונה ב-22 בנובמבר 2010. 
  4. ^ Grimm, R. (2005). "Low-temperature physics: A quantum revolution". Nature 435 (7045): 1035–1036. Bibcode:2005Natur.435.1035G. PMID 15973388. doi:10.1038/4351035a. 
  5. ^ K. W. Madison, F. Chevy, W. Wohlleben, J. Dalibard, Vortex Formation in a Stirred Bose-Einstein Condensate, Physical Review Letters 84, 2000-01-31, עמ' 806–809 doi: 10.1103/PhysRevLett.84.806
  6. ^ Burnett, K. (2007). "Atomic physics: Cold gases venture into Flatland". Nature Physics 3 (9): 589. Bibcode:2007NatPh...3..589B. doi:10.1038/nphys704. 
  7. ^ Lene Vestergaard Hau, S. E. Harris, Zachary Dutton, Cyrus H. Behroozi, Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas, Nature 397, 1999-02, עמ' 594–598 doi: 10.1038/17561
  8. ^ "Lene Hau". Physicscentral.com. בדיקה אחרונה ב-10 בפברואר 2013. 
  9. ^ Lene Vestergaard Hau (2003). "Frozen Light". Scientific American: 44–51. 
  10. ^ Shocking Bose-Einstein Condensates with Slow Light
  11. ^ A. B. Migdal (1959). "Superfluidity and the moments of inertia of nuclei". Nucl. Phys. 13 (5): 655–674. Bibcode:1959NucPh..13..655M. doi:10.1016/0029-5582(59)90264-0. 
  12. ^ A. B. Migdal (1960). Soviet Phys. JETP 10: 176. 
  13. ^ U. Lombardo and H.-J. Schulze (2001). "Superfluidity in Neutron Star Matter". Physics of Neutron Star Interiors. Lecture Notes in Physics 578. Springer. עמ' 30–53. arXiv:astro-ph/0012209. doi:10.1007/3-540-44578-1_2. 
  14. ^ The Superfluid Universe