نجح العلماء في قياس سائل فائق للغاية لا يمكن احتواؤه في حاوية للمرة الأولى، وكشفوا عن الخصائص الفيزيائية الأساسية للسوائل الكمومية

الملخص:

لقد حقق مجتمع الفيزياء تقدمًا كبيرًا في مجال الأبحاث المتعلقة بالحالات المتطرفة للمادة. نجح فريق البحث العلمي في قياس الخصائص المجهرية لمادة كمية غير عادية لا يمكن احتواؤها في أي حاوية تقليدية لأول مرة بدقة عالية - الهيليوم فائق السيولة. هذه النتيجة التجريبية لا تتغلب فقط على مشاكل القياس التي ابتلي بها مجتمع الفيزياء لعقود من الزمن، ولكنها تفتح أيضًا طرقًا جديدة لاستكشاف ميكانيكا الموائع الكمومية بعمق وتطور المادة في البيئات القاسية.

عندما يتم تبريد الهيليوم السائل إلى نقطة تحول حرجة قريبة من الصفر المطلق (ناقص 273.15 درجة مئوية)، يحدث تحول في الطور الكمي إلى حالة سائل فائق. المواد في حالة السوائل الفائقة تفقد لزوجتها تمامًا ولا تولد أي مقاومة احتكاك عند التدفق. تمنح هذه الخاصية الشديدة عديمة الاحتكاك للسوائل الفائقة قدرة مذهلة على تسلق الجدار: حيث يمكنها تشكيل طبقة مجهرية رفيعة للغاية على طول جدار كوب أو غرفة اختبار تحتوي عليه وتتسلق للأعلى، وتتدفق على حافة الحاوية، لذلك لا يمكن لأي حاوية تقليدية أن تغلقها وتقييدها تمامًا. لفترة طويلة، هذا التسلق التلقائي وعدم القدرة على التكيف بشكل ثابت جعل من الصعب للغاية على الباحثين قياس الديناميكا الحرارية ومعلمات ديناميكيات الكم المجهرية بشكل ثابت دون تدخل من التأثيرات الحدودية.

من أجل اختراق هذا القيد التجريبي، صمم الفيزيائيون حلًا مبتكرًا للتعليق واكتشاف عدم الاتصال. استخدم الفريق التجريبي تقنية الرفع المغناطيسي فائقة التوصيل ونظام ملاقط بصرية دقيق لتعليق كميات ضئيلة من قطرات الهيليوم فائقة السائل في الفضاء في فراغ عالٍ للغاية وبيئة درجة حرارة منخفضة للغاية، مما ينفصل تمامًا عن أي اتصال بسطح حاوية صلبة. بعد ذلك، استخدم الباحثون مجسات ليزر ضعيفة للغاية وأجهزة استشعار رنين فائقة التوصيل حساسة للغاية لإجراء مراقبة غير مسبوقة وفائقة الدقة في الوقت الفعلي لحركة الدوامة الكمومية وسرعة انتشار الموجات الصوتية المجهرية وطاقة الإثارة شبه الجزيئية داخل القطرات المعلقة.

توفر النتائج التجريبية لأول مرة المعلمات الفيزيائية البحتة للسائل الفائق دون تفاعل على سطح الحاوية، مما يؤكد العديد من التنبؤات المتطورة حول التدفق غير المعوق والتماسك الكمي العياني في نظرية الأجسام المتعددة الكمومية. وأشار فريق البحث إلى أن هذا القياس ليس حاسما فقط لتحسين النظرية الفيزيائية الأساسية، ولكن آلية التدفق المجهري التي يكشف عنها ستوفر أيضا دعم البيانات الرئيسية للجيل القادم من الجيروسكوبات الكمومية فائقة الحساسية، وهندسة التبريد لأجهزة الحوسبة الكمومية فائقة التوصيل، ومحاكاة المادة النووية فائقة السوائل داخل النجوم النيوترونية في الفيزياء الفلكية.