كيف يمكن للسائل أن يطفو داخل المادة الصلبة؟

اكتشف الباحثون أنه عندما يتم تبريد الهيليوم إلى الصفر المطلق تقريبًا، يتم ضغطه وجعله يتأرجح حول محور - فإنه يتصرف بطريقة لم يتم ملاحظتها من قبل

كينيث تشانغ نيويورك تايمز، هآرتس

لقد فعلتها ميكانيكا الكم مرة أخرى. أجرى باحثون في جامعة ولاية بنسلفانيا في الولايات المتحدة تجربة على الهيليوم شديد البرودة، واكتشفوا أنه عندما تدور أسطوانة صلبة حول محورها ذهابا وإيابا - فإن جزءا منها قد لا يتحرك على الإطلاق.

في درجات الحرارة المنخفضة للغاية، غالبًا ما تتصرف المادة بشكل مختلف تمامًا عما نعرفه في الظروف العادية. على سبيل المثال، تصبح العديد من المواد موصلة للكهرباء، قادرة على توصيل الكهرباء دون أي مقاومة، لأن الإلكترونات تتصل وتتحرك بطريقة منسقة دون الإضرار بشبكة الذرات المحيطة بها.

وبالمثل، تصبح المواد الأخرى عند درجات الحرارة المنخفضة سائلة فائقة، تتحرك دون أي احتكاك بسبب قلة اللزوجة التي تبطئ سرعتها. تقترح التجربة الجديدة طريقة أخرى للتجميع: المادة فائقة الصلابة.

في السبعينيات، فكر الفيزيائيون في فكرة أن المادة الصلبة - وهي المادة التي تنتظم ذراتها في بنية بلورية منظمة - قد تخضع للتحويل الكمي (تغير الحالة). ادعى البعض أنه عندما يتم تبريد المادة الصلبة إلى درجة حرارة منخفضة بما فيه الكفاية، فإن بعض ذراتها سوف "تذوب" وتصبح سائلة فائقة، والتي سوف تتدفق بسهولة عبر المادة الصلبة المحيطة بها. أطلقوا على هذه الحالة اسم "فائقة الصلابة".

وقد توصل معظم الفيزيائيين، بما في ذلك أولئك الذين اقترحوا هذه الفكرة، إلى نتيجة مفادها أنه على الرغم من أن هذا الوضع ممكن، إلا أن فرص رصده ضئيلة للغاية.

وقال الدكتور أنتوني ليجيت، أستاذ الفيزياء بجامعة إلينوي، والذي حصل على جائزة نوبل في الفيزياء العام الماضي عن بحثه النظري حول المادة فائقة الصلابة: "لقد كتبت ورقة بحثية واحدة على الأقل في الماضي البعيد عن إمكانية وجود سلوك فائق الصلابة". سائل فائق. "سأراهن بما لا يقل عن مائة إلى واحد ضد مثل هذا الاحتمال."

لكن في مقال نشر هذا الشهر على موقع مجلة "ساينس" العلمية، أفاد الدكتور موسى تشان، أستاذ الفيزياء في جامعة ولاية بنسلفانيا، والدكتور يونسونغ كيم، طالب ما بعد الدكتوراه الذي يعمل معه، أنهما نجحا في تحويل الهيليوم إلى مادة صلبة فائقة. قال الدكتور تشان: «سوف يتفاجأ المنظرون، لكنهم لا يستبعدون هذا الاحتمال».

الهيليوم، وهو نفس الغاز الذي يسمح للمناطيد برفع الدجاجة ويجعل من يبتلعها يبدو مثل دونالد داك، يتحول إلى سائل عند درجة حرارة تقل عن 269 درجة مئوية. إذا قمت بتبريده قليلاً وضغطته تحت ضغط هائل، تنضغط ذرات الهيليوم معًا وتصبح صلبة.

في التجربة، وضع الدكتور كيم والدكتور تشان الهيليوم في أسطوانة صغيرة، وقاما بتبريده إلى الصفر المطلق تقريبًا (ناقص حوالي 273 درجة مئوية) وطبقا ضغطًا يتراوح من حوالي 26.5 كجم لكل سم مربع إلى حوالي 67.5 كجم لكل سم مربع (الضغط الجوي الطبيعي على سطح الأرض هو XNUMX كجم لكل سم مربع)، حتى يصبح صلباً.

استدار العلماء وأطلقوا الأسطوانة التي كانت متصلة بالقضيب. تسببت قوة الالتواء للقضيب في تأرجح الأسطوانة (تدور ذهابًا وإيابًا حول محورها) بتردد ثابت، تحدده كتلة الأسطوانة وأبعادها.

وعندما استمروا في تبريد الأسطوانة إلى درجة حرارة سالب 272.9 درجة - أي حوالي عُشر درجة فوق الصفر المطلق - زاد تردد الاهتزازات، كما لو أن الحلقة تفقد كتلتها، حتى بدا كما لو أن 1.5% من الكتلة لقد اختفى الهيليوم.

يعتقد العلماء من ولاية بنسلفانيا أن 1.5% من الهيليوم الصلب أصبح سائلًا فائقًا، ووفقًا لقوانين ميكانيكا الكم انتقل إلى حالة الطاقة الأكثر "كسلًا": عدم الحركة. وبينما كانت الأسطوانة الصلبة تتأرجح ذهابًا وإيابًا، ظل السائل الفائق في مكانه بطريقة بدا أنها تتدفق في الاتجاه المعاكس.

للتأكد من أن بعض الهيليوم لم يتبخر حقًا، قام العلماء بإعادة تسخين الأسطوانة وتباطأت التذبذبات مرة أخرى. كما كرروا التجربة باستخدام نسخة أخف من الهيليوم، الهيليوم 3، المعروف أنه لا يصبح سائلًا فائقًا، ولم يجدوا أي تغيير في تردد التذبذبات.

وحتى الآن، يتفق علماء آخرون على أن تفسير "الصلبة الفائقة" هو الأكثر منطقية، لكنهم يريدون فحص المزيد من البيانات. وقال الدكتور واين ساسلو، أستاذ الفيزياء في جامعة تكساس إيه آند إم: "أعتقد أن الجميع متفقون على ضرورة إجراء المزيد من التجارب".

لا توجد إجابة جاهزة لسؤال كيف يمكن أن يتدفق السائل الفائق عبر مادة صلبة. قال الدكتور ليجيت: "أعتقد أن هذا لغز كبير". "إذا تبين أن هذا صحيح في النهاية، فسوف يدفعنا إلى إعادة فحص تصورنا تمامًا لماهية المادة الصلبة وفقًا لميكانيكا الكم."

وقال الدكتور ليجيت إن أحد الاحتمالات هو أن مادة الهيليوم الصلبة ليست مثالية، وأن عدة أماكن في بلورتها فارغة وأن السائل الفائق يتدفق من موقع فارغ إلى آخر. وفي مقابل هذا التفسير تقف النتيجة التي مفادها أن الضغوط الأعلى، التي من المفترض أن تدفع الذرات لملء تلك المساحات الفارغة، لم تنتقص من ظاهرة الصلابة الفائقة.