ارائه دهنده: مهیار عباسی (ورودی ۹۷ کارشناسی فیزیک)
هلیوم دارای دو ایزوتوپ پایدار هلیوم3 (He3) و هلیوم 4 (He4) است. هردوی این ایزوتوپ‌ها در شرایط استاندارد، در فاز گاز هستند. اگر روی این گاز نجیب عملیات فوق سرد‌سازی انجام دهیم، در دمایی بین 3 تا 4 درجه‌ی کلوین به فاز مایع گذار می‌کند. (نقطه‌ی جوش دو ایزوتوپ کمی اختلاف دارد.) با ادامه‌ی سرد‌سازی، هلیوم مایع این دو ایزوتوپ، در دمایی خاص رفتار متفاوتی بروز می‌دهد. در این دما هلیوم4، گذار فاز داده و وارد فازی به نام ابر‌شارگی می‌شود که ویژگی‌های غیر‌معمولی از خود نشان می‌دهد. به طور مثال می‌تواند از دیواره‌ی ظرف در جهت خلاف جاذبه بالا برود و ظرفیت گرمایی‌اش به طور نا‌پیوسته تغییر می‌کند. اما هلیوم3 درتمام دما‌های زیر نقطه جوشش، یک شاره (مایع معمولی) باقی می‌ماند. (جامدکردن هلیوم عملاً غیر‌ممکن است!) اما ابرشاره چیست و چرا وقتی نام «superfluid» را در اینترنت جستجو می‌کنیم فقط راجع به هلیوم، آن هم تنها ایزوتوپ 4 آن، نتایجی برایمان نشان داده می‌شود؟

گرانوری در ابرشاره

فرض کنید یک مایع که درصد بالایی از ذراتش ابرشاره هستند را در لیوانی بریزیم و محتویات آن را به چرخش واداریم. سپس آن را رها کرده و چند ساعت بعد دوباره بر‌گردیم و به لیوان، که به طور مثال پر از هلیوم 4 است، نگاه کنیم. در کمال تعجب خواهیم دید که ذرات تقریبا با همان سرعت زاویه‌ای اولیه در حال حرکت هستند! هر شاره‌ای را که در ظرف بریزیم و هم بزنیم بعد از مدت کوتاهی به علت اصطکاک داخلی لایه‌های چرخان، انرژی خود را از دست داده و از حرکت می‌ایستد. گرانروی، معیاری از شدت این نیروهای تنشی (اصطکاک) در مایع است و در مقیاس میکروسکوپی به جنب و جوش ذرات مایع و بی‌نظمی آن‌ها مربوط می‌شود. یک ابر‌شاره گرانروی خود را از دست می‌دهد، زیرا ذرات آن از افت و خیزهای گرمایی مصون هستند و در حالت کاملاً منظمی قرار دارند. (سهمی که در آنتروپی کل دارند صفر است!) این ذرات حین حرکتی مانند چرخش مایع در لیوان، اختلاطی با یکدیگر نداشته و مایع به آسانی و بدون اتلاف تا مدت‌های طولانی می‌چرخد.(همیشه در هر دمایی بخشی از مایع، شاره معمولی است، اما با کاهش دما سهم شاره کم و ابرشاره زیاد می‌شود.)

تفاوت آماری هلیوم۴ و هلیوم۳

این حالت نظم کامل و نداشتن گرانروی، خواص جالب دیگری را برای ابرشاره هلیوم 4 ایجاد می‌کند. هلیوم 3 برخلاف هلیوم 4 ابرشاره نمی‌شود، و این موضوع فقط با آمار کوانتومی قابل توجیه است. تفاوت آمار ذرات در دما‌های کم یا انرژی‌های پایین، که اثرات کوانتومی مهم می‌شوند، ناشی از عدد اسپین ذرات است. هلیوم 4 بوزون است و نسبت به هلیوم 3 یک نوترون اضافه‌تر دارد. آمار بوزون‌ها به گونه‌ای است که در دماهای پایین (نزدیک 3-2 کلوین) کسری از ذرات در تراز انرژی صفر قرار می‌گیرند؛ همان ذراتی که مؤلفه ابرشاره را تشکیل می‌دهند. این رفتار عجیب در آمار فرمیون‌ها وجود ندارد و اتم‌های هلیوم 3 نیز فرمیون هستند. مواد فراوانی از ذرات بوزونی هستند اما هر ماده‌ای تا دماهای نزدیک به 2 کلوین مانند هلیومْ مایع باقی نمی‌ماند و در دماهای بالاتر از این، قبل از این که به ابرشاره تبدیل شود، جامد می شود. پس تنها هلیوم 4 را به شکل ابر‌شاره می‌بینیم.

اثر فواره

در این جلسه پدیده‌ی جالب دیگری نیز از ابرشاره هلیوم به نام «اثر فواره» مطرح شد که لینک دو ویدئو از این آزمایش در زیر آمده‌است. این پدیده ظاهراً با قانون دوم ترمودینامیک در تضاد است، اما با توجه به این که مولفه‌ی ابرشاره در هلیوم مایع در نظم کامل است و انرژی گرمایی با خود حمل نمی‌کند، می‌توان این تناقض ظاهری را رفع کرد. هم‌چنین در جلسه، جنبه‌های ماکروسکوپیک این پدیده با توجه به ترمودینامیک آن، اندکی بررسی شد.

•https://youtu.be/2Z6UJbwxBZI

•https://youtu.be/YVMuI_shltE