Οι παραξενιές της κβαντομηχανικής: υπερρευστά και υπερστερεά

Το ήλιον-2 θα σκαρφαλώσει τα τοιχώματα του δοχείου

Ξεχάστε τα ραδιενεργά δαγκώματα των αραχνών, την έκθεση σε ακτίνες γάμμα, ή οποιοδήποτε άλλο ατύχημα που συναντάμε στα κόμικς με τον άνθρωπο αράχνη ή τον σούπερμαν: στον πραγματικό κόσμο, η κβαντική θεωρία είναι αυτή που σας δίνει υπερδυνάμεις.

Πάρτε για παράδειγμα το ευγενές αέριο ήλιο. Σε θερμοκρασία δωματίου, το χρησιμοποιούμε για να διασκεδάζουμε: μπορείτε να γεμίσετε με αυτό μπαλόνια ή να το εισπνεύσετε και να μιλήσετε με μια τσιριχτή φωνή. Σε θερμοκρασίες όμως κάτω από τους 2 Kelvin, περίπου, είναι ένα υγρό και τα άτομα του διέπονται από τις ιδιότητες της κβαντομηχανικής. Τότε γίνεται ένα υπερρευστό.

Το υπερρευστό ήλιο σκαρφαλώνει στους τοίχους και ρέει προς τα πάνω σε πείσμα της βαρύτητας. Ωστόσο, το ίδιο συμπιέζεται μέσα σε εξωφρενικά μικρές τρύπες. Ξεφεύγει μάλιστα από την τριβή: βάλτε το υπερρευστό ήλιο σε ένα μπολ, θέστε το σε περιστροφή, και βλέπετε ότι το ήλιο σε αυτή την κατάσταση δεν μετακινείται, ενώ το κύπελλο περιστρέφεται από κάτω. Βάλτε σε ίδια κίνηση το υγρό και αυτό θα συνεχίσει να στρέφεται για πάντα.

Είναι διασκεδαστικό, αλλά δεν είναι ιδιαίτερα χρήσιμο. Το αντίθετο θα μπορούσε κάποιος να πει για τους υπεραγωγούς. Αυτά τα στερεά άγουν τον ηλεκτρισμό χωρίς αντίσταση, έτσι είναι πολύτιμα σώματα για τη μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας, για τη δημιουργία εξαιρετικά ισχυρών μαγνητικών πεδίων – για να θέσουμε σε κίνηση τα πρωτόνια γύρω τον Μεγάλο Επιταχυντή στο CERN, για παράδειγμα – αλλά και για τις αιωρούμενες υπερταχείες αμαξοστοιχίες.

Δεν ξέρουμε ακόμη πώς δουλεύουν όλοι οι υπεραγωγοί, αλλά φαίνεται ότι η αρχή της αβεβαιότητας παίζει κάποιο ρόλο. Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, η ορμή των μεμονωμένων ατόμων ή των ηλεκτρονίων σε αυτά τα υλικά είναι πολύ μικρή και γνωστή με πολύ ακρίβεια, οπότε η θέση του κάθε ατόμου είναι εξαιρετικά αβέβαιη. Στην πραγματικότητα, αρχίζουν να επικαλύπτονται μεταξύ τους, σε σημείο όπου δεν μπορείτε να τα περιγράψετε ξεχωριστά. Θα αρχίσουν να ενεργούν ως ένα υπερ-άτομο ή σαν υπερ-ηλεκτρόνιο που κινείται χωρίς τριβή ή αντίσταση.

Ωστόσο, όλα αυτά δεν είναι τίποτα όσον αφορά την παραξενιά σε σύγκριση με ένα υπερστερεό. Το μόνο γνωστό τέτοιο παράδειγμα είναι το στερεό ήλιο που ψύχεται κοντά στον ένα βαθμό πάνω από το απόλυτο μηδέν και με περίπου 25 φορές την κανονική ατμοσφαιρική πίεση.

Υπό αυτές τις συνθήκες, οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων του ηλίου είναι ασθενείς, και κάποιοι σπάνε αφήνοντας ένα δίκτυο από «κενές θέσεις» που συμπεριφέρονται σχεδόν σαν τα πραγματικά άτομα. Υπό κατάλληλες συνθήκες, οι εν λόγω κενές θέσεις σχηματίζουν ένα υγρό σαν το συμπύκνωμα Bose-Einstein. Αυτό, υπό ορισμένες συνθήκες, περνά μέσα από το πλέγμα του κανονικού ηλίου – που σημαίνει ότι τα στερεά ρέουν, σαν το φάντασμα, μέσα από τον ίδιο τους τον εαυτό.

Τόσο ασυνήθιστη είναι αυτή η υπερδύναμη που ο φυσικός Moses Chan μαζί με τον μεταπτυχιακό φοιτητής του Eun-Seong Kim στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια έλεγχαν και ξανά έλεγχαν τα στοιχεία τους για το στερεά ήλιο για τέσσερα χρόνια, πριν τελικά τα δημοσιεύσουν το 2004.

"Δεν περίμενα ότι θα δούμε αυτό το αποτέλεσμα”, λέει ο Chan. Παρ’ όλα αυτά, οι ερευνητές έχουν δει σημάδια ότι κάθε κρυσταλλικό υλικό θα μπορούσε να κάνει ένα ανάλογο κατόρθωμα σε θερμοκρασίες μόλις ένα κλάσμα πάνω από το απόλυτο μηδέν. Ούτε ο σούπερμαν δεν μπορεί να έχει τέτοιες επιδόσεις!

Και λίγη ιστορία

Το γεγονός ότι το ήλιο μετατρέπεται σε υπερρευστό ανακαλύφθηκε, μεταξύ των άλλων, από τον Piotr Kapitsa στο τέλος της δεκαετίας του 30. Το φαινόμενο ερμηνεύθηκε σχεδόν αμέσως από τον Lev Landau ο οποίος πήρε και το βραβείο Nobel 1962 για την ανακάλυψη αυτή. (Ο Kapitsa βραβεύτηκε το 1978. Η μετατροπή του ⁴He από κανονικό ρευστό σε υπερρευστό που συμβαίνει σε θερμοκρασία 2 βαθμών πάνω από το απόλυτο μηδέν, είναι το πρώτο παράδειγμα της συμπύκνωσης Bose-Einstein. Πρόσφατα έχει παρατηρηθεί και σε διάφορα αέρια.

Η μετατροπή του ³He σε υπερρευστό επιτεύχθηκε μόλις το 1970 από τους D. Lee, D. Osheroff και R.Richardson (Nobel 1996). Μία από τις αιτίες που καθυστέρησε η ανακάλυψη αυτή είναι η θερμοκρασία υγροποίησης του ³He είναι πολύ χαμηλή, μερικά χιλιοστά του βαθμού. Παρ΄ ότι το ³He διαφέρει κβαντικά από το ⁴He και δεν μπορεί να κάνει συμπύκνωση Bose-Einstein το φαινόμενο ήταν αναμενόμενο. Ανάλογα με την θεωρία της υπεραγωγιμότητας των Bardeen Cooper και Schrieffer σχηματίζονται ζεύγη Cooper από δυο πυρήνες ηλίου.

Πηγή : Physics 4u