Mokslo ir technologijų pasaulis

Mokslininkai jau ne vieną dešimtmetį žino, kad jeigu skystą helį atšaldysime vos keliais laipsniais žemiau už jo virimo temperatūrą (-269 °C), jis pademonstruos visiškai kitokias savybes nei kiti skysčiai – skverbsis pro molekulės dydžio įtrūkimus, veršis pro indo viršų – bet visiškai nejudės kai talpą, kurioje jis yra, pradėsime sukti.

Tokiu atveju helis tampa ne supertakiu skysčiu – skysčiu, kuris teka be trinties. Eksperimentus atliekantis fizikas Johnas Beamishas iš Albertos universiteto (Kanada) sako, kad jeigu pastatysime puodelį su jame besisukančiu skysčiu, grįžę po 10 minučių pamatysime, kad skystis puodelyje nustojo suktis. Tokiu atveju atomai skystyje susiduria vienas su kitu ir sulėtėja. Tačiau jeigu lygiai tą patį padarysime su itin žemos temperatūros heliu ir grįšime po milijono metų – supertakus helis puodelyje vis dar suksis.

Kaip ir daugybė kitų fizikos eksperimentų, kuriuos sunku suprasti, supertakumas kyla iš nelogiškų kvantinės mechanikos taisyklių. Tačiau priešingai nei kitos kvantinės keistenybės, superstakaus helio keistas elgesys matomas plika akimi.

Ankstyvą helio keistos elgsenos požymį 1911 m. pastebėjo olandų fizikas, 1913 m. fizikos Nobelio fizikos premiją gavęs Heike Kamerlinghas Onnesas – jis pirmasis suskystino helį. H.K.Onnesas nustatė, kad helis (techniškai – helio-4 izotopas) lengvai praleidžia šilumą žemesnėje nei -270,92 laipsnių Celsijaus temperatūroje, dar vadinamoje lambda tašku.

Tik 1938 m. rusų fizikas Piotras Kapica ir su juo nedirbę britai Johnas Allenas ir Donas Miseneris išmatavo helio tekėjimo greitį žemesnėje nei minėta temperatūroje per porą stiklinių diskų, pritvirtintų atitinkamai prie stūmoklio ir ilgo plono stiklinio vamzdelio. Klampa buvo tokia maža, kad P.Kapitsa, kuris už šį darbą gavo Nobelio premiją, sugalvojo terminą „supertakumas“, kuris apibūdina šį reiškinį. Pavadinimas sugalvotas pagal terminą „superlaidininkas“, kuriuo vadinama medžiaga, be pasipriešinimo praleidžianti labai dideles elektros sroves.

Svarbiausia šio efekto savybė – unikali helio savybė išlikti skystam iki absoliutaus nulio ( -273,15 °C), t.y. temperatūros, kurioje atomai teoriškai nustoja judėti. Kai dauguma skysčių atšaldomi, nedidelė trauka tarp skysčio atomų galiausiai pradeda nugalėti šiluminius virpesius, ir dalelės nusistovi taisyklinga tvarka, t. y. tampa kietuoju kūnu. Tačiau helio atomai yra tokie lengvi ir silpnai traukia vienas kitą, kad net tada, kai įprastiniai atomų judesiai nurimsta, atomai trūkčioja nulinio taško judesiu – nedideliu impulsu, kurį suteikia kvantinio neapibrėžtumo principas. Todėl jie niekada nenusistovi kietoje būsenoje.

Dėl helio skystumo žemoje temperatūroje jame gali vykti transformacija, vadinama Boses-Einsteino kondensacija, kai atskiros dalelės persidengia ir ima elgtis kaip viena didelė dalelė. Vieningai veikiantys atomai nesielgia kaip atskiri atomai. „Jei veikia unisonu, jie nesusiduria vienas su kitu“, – sako Pensilvanijos valstijos universiteto parke supertakumą tyrinėjantis Moses Chanas.

Mokslininkai mėgsta manyti, kad supertakus helis yra dviejų skysčių – įprasto ir supertakaus – mišinys. Atliekant įvairius eksperimentus, išryškėja kontrastingos šių dviejų frakcijų savybės. Paprasčiausias „eksperimentas“ – stebėti, kaip pilnas skysto helio indas staiga ima trūkti, kai atšaldomas žemiau lambda taško, o nesukelianti trinties supertakaus skysčio frakcija pradeda tekėti pro mikroskopinius plyšius, į kuriuos negali patekti įprastinė skysčio frakcija. Tačiau ėmus tą patį skystį maišyti kaip kavą, įprasto skysčio sukeliama trintis ims priešintis judėjimui, perduodamas klampumą supertakiai mikstūrai.

Krentant temperatūrai, superskysčio frakcija užima didesnę mišinio dalį. Atlikdami šios srities eksperimentą, mokslininkai matuoja dviejų frakcijų santykį, įdėdami mėginį į cilindrinį metalinį indą, pakabintą ant vielos. Kai jie vielą susuka, cilindras pasisuka į vieną, o paskui į kitą pusę. Tačiau dėl trinties tarp cilindro ir jo sienelių su cilindru sukasi tik normalioji frakcija, o supertakioji frakcija prasiskverbia pro normalųjį skystį ir lieka nejudri. Didėjant superskysčio daliai, cilindras sukasi greičiau, tarsi cilindras prarastų svorį (techniškai – inerciją). Supertakiojo helio dvejopa prigimtis vėl pasireiškia, kai jis pradeda kilti talpos sienelėmis. (Bet koks skystis padengs indo, kuriame jis yra, sieneles – vėlgi dėl nedidelės atomų traukos, tačiau skysčio vidinė trintis riboja, kaip toli danga gali išsiplėsti.

Supertakiojo helio nesukelianti trinties plėvelė nusidriekia per visą indą, sukurdama vietą, per kurią gali tekėti superskystis. Jei skystis, išsiliejęs iš indo, turi kur kristi, jis lašės nuo indo dugno, kol išsiurbs visą virš jo susikaupusį superskystį.

Tuo pačiu principu grindžiamas kitas garsus eksperimentas, kai iš atviro įkaitinto stiklinio vamzdelio, kurio dugne yra smulkių miltelių, greitai išsiveržia superskystis. Tai vadinama superskysčio fontanu, kuris atsiranda dėl to, kad vamzdžio išorėje esantis superskystis veržiasi į vidų, kad atvėsintų vamzdžio viduje įkaitusį superskystį. (Teigiama, kad vienas iš superskysčio atradėjų J.Allenas atrado šį reiškinį po to, kai kišeniniu žibintuvėliu pašvietė į stiklinį vamzdelį su skystuoju heliu).

Už darbą, susijusį su supertakiuoju heliu, jau buvo įteiktos trys Nobelio premijos – bet gali būti įteikta ir daugiau. 2004 m. M.Chanas ir Eun-Seongas Kimas sukdami žiedą su kietuoju heliu 26 atmosferų slėgyje nustatė, kad atšaldžius helį žemiau kritinės temperatūros, sukimosi dažnis padidėjo, kaip ir skystojo helio atveju. Pusė tuzino laboratorijų, tarp jų ir Beamisho, tiria „superkietąjį“ efektą, tačiau mokslininkai vis dar nėra tikri, kurie kietojo kūno elementai kondensuotųsi į vieną Boses-Einsteino būseną.

Dabar reikia išsiaiškinti, ar supertakusis helis gali sukelti super-pratekėjimus ar kitus gerai žinomus superefektus. „Jei pavyks įtikinamai įrodyti kitas unikalias savybes, – sako J.Beamishas. – Visi sutiks, kad tai nauja materijos fazė“.

Parengta pagal „Scientific American“.