لمحة عن حالة جديدة من المادة

قام الباحثون بتحويل الهيليوم المتجمد إلى مادة صلبة تتصرف مثل السائل الفائق

فيليب بول، الطبيعة (ترجمة: ديكلا أورين)

يعتقد باحثون من الولايات المتحدة الأمريكية أنهم اكتشفوا حالة جديدة للمادة - وهي حالة فائقة الصلابة. إذا كانت النتائج التي توصلوا إليها صحيحة، فإن حالة هذه المادة غريبة للغاية. على الرغم من كونه مادة صلبة بلورية، إلا أنه يمكن أن "يتدفق" مثل أكثر السوائل زلقًا التي يمكن تخيلها - في الواقع، فهو يتدفق مثل السائل بدون لزوجة على الإطلاق.

ومن المعروف أن هناك سوائل يمكن أن تتدفق دون لزوجة لسنوات. يطلق عليها اسم السوائل الفائقة، ولأنها تفتقر إلى اللزوجة فإن سلوكها غريب. بمجرد تحريكها، ستستمر السوائل الفائقة في الدوران إلى الأبد، في حين أن الدوامة في السائل العادي سوف تهدأ وتختفي في النهاية. يمكن أيضًا للسائل الفائق أن يتسلق خارج الحاوية التي يوجد فيها.

تم تصنيع اثنين من السوائل الأولى التي ابتكرها الباحثون من الهيليوم 4 والهيليوم 3. ويجب تبريدهما إلى درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق (-273 درجة مئوية) حتى تظهر خصائص السيولة الفائقة الخاصة بهما.

يزعم أون سونغ كيم وموسى تشان من جامعة بنسلفانيا أنهما تمكنا من تحويل الهيليوم -4 المتجمد إلى مادة صلبة فائقة الصلابة. لقد فعلوا ذلك عن طريق ملء قنوات صغيرة في الزجاج المسامي (تسمى "فيكور") بالهيليوم وتجميدها عن طريق تبريدها وضغطها إلى أكثر من 60 ضغطًا جويًا. ثم دع القرص الزجاجي المليء بالهيليوم يدور. عند درجة حرارة تبلغ حوالي 0.175 درجة مئوية فوق الصفر المطلق، بدأ القرص فجأة في الدوران بسهولة أكبر - وهو ما كان سيحدث بالضبط، لو أصبح الهيليوم سائلًا فائقًا.

ويحدث الشيء نفسه، حتى عند وضع الهيليوم فائق السائل في زجاج فيكور، لأن السائل الخالي من اللزوجة يدور بسهولة شديدة.

يقول كيم وتشان إنه من الصعب تقديم تفسير للنتائج التي توصلوا إليها دون افتراض أن هذه حالة من الصلابة الفائقة. ومع ذلك، يقول جون بيميش من جامعة ألبرتا في إدمونتون، كندا، إن ادعاءهم "سيثير الجدل بالتأكيد". يتساءل بعض الباحثين، على سبيل المثال، عما إذا كان من الممكن أن يغلف بعض الهيليوم فائق السيولة جدران القنوات الصغيرة بالزجاج ويتسبب في دوران القرص بحرية أكبر. ومع ذلك، يصر كيم وتشان على أن احتمال حدوث ذلك منخفض.

الهيليوم الصلب في حد ذاته مادة غريبة إلى حد ما. في درجات الحرارة المنخفضة هذه، يتم تحديد سلوك ذرات الهيليوم بواسطة ميكانيكا الكم. وهذا يمنع الهيليوم من التجمد على الإطلاق، بغض النظر عن مدى برودة الجو، إلا إذا تم ضغطه إلى ضغط لا يقل عن 25 ضغط جوي. تكون المادة الصلبة الكمومية الناتجة ناعمة تمامًا - على عكس معظم المواد الصلبة المجمدة، يمكن سحقها مثل المطاط، وشبكة البلورة الذرية مليئة بالمساحات، التي تسمى الفراغات، التي تتحرك من خلالها.

عندما يتحول الهيليوم السائل إلى سائل فائق، فإن قوانين ميكانيكا الكم تجعل جميع الذرات تتحرك بشكل متماسك، مثل كتيبة من الجنود. ولهذا السبب فإن إيقاف تدفق السائل الفائق بمجرد أن يبدأ ليس بالمهمة السهلة.

في الهيليوم فائق الصلابة، تبدأ الفراغات الموجودة في البلورة أيضًا في التحرك بشكل متماسك، مما يعني أن الموجات يمكن أن تنتقل عبر الشبكة.

بداية الحركة المتماسكة تسمى تكثيف بوز-آينشتاين. في الموصلات الفائقة، يسمح تكثيف بوز أينشتاين للإلكترونات عند درجات حرارة منخفضة للتيار الكهربائي بالتحرك دون مقاومة. منذ عام 1995، شوهد تكاثف ذرات بوز-آينشتاين في مجموعة متنوعة من الغازات شديدة البرودة.

رابط المقال الأصلي في الطبيعة