Supertekutosť (supertekutina): definícia, vlastnosti a využitie

Supertekutosť (supratekutina): definícia, unikátne vlastnosti (nulová viskozita, beztrenie) a využitie od supertekutého hélia po gyroskopy a experimenty so spomalením svetla.

Supertekutosť je stav hmoty, v ktorom sa kvapalina môže správať veľmi zvláštne.

Niektoré z vecí, ktoré dokáže supratekutina, sú:

• Môže plynúť veľmi ľahko. (Ľahkosť, s akou kvapalina tečie, sa nazýva jej viskozita.) V skutočnosti tečie tak ľahko, že trenie nemení spôsob jej toku; má nulovú viskozitu. Z tohto dôvodu môže skutočne vytekať z nádoby, napríklad z misky, aj keď misku nenakloníme, aby sa kvapalina mohla vyliať.
• Pri otáčaní nádoby zostáva v pokoji, namiesto toho, aby sa spustil vír, ako keď sa vypúšťa umývadlo plné vody. Vír sa však vytvorí, ak sa nádoba otáča pri určitej rýchlosti a nad ňou.

Vedcom sa doteraz podarilo vytvoriť supratekuté látky len pri extrémne nízkych teplotách. Supertekutiny však majú dnes vo vede pomerne široké využitie, napr:

• Supertekuté hélium s teplotou -271,4 stupňa Celzia [-456,2 stupňa Fahrenheita] bolo v roku 1983 použité v špeciálnom satelite na získanie informácií o infračervených vlnách vo vesmíre.
• Supertekutiny sa dajú použiť v gyroskopoch, aby pomohli strojom predpovedať informácie o pohyboch gravitácie, ktoré sa nedajú zachytiť len pomocou bežných prístrojov.
• Jeden druh supratekutiny bol použitý na zachytenie a spomalenie svetelného lúča z jeho normálnej rýchlosti 670 600 000 mph (1 079 000 000 km/h) na iba 38,03 mph (62,2 km/h), čo znamená, že svetelný lúč sa pohyboval rýchlosťou 0,00000567104 % svojej rýchlosti vo vákuu alebo 17 miliónkrát pomalšie.

Existuje aj ďalší stav hmoty, ktorý sa nazýva supertvrdý, hoci spôsob jeho vzniku je zložitejší.

Čo spôsobuje supertekutosť?

Supertekutosť je makroskopický kvantový jav. Najčastejšie sa vysvetľuje pomocou dvoch hlavných princípov:

• Bose–Einsteinova kondenzácia: u hélia‑4 (ktoré je bozon) veľká časť atómov sa pri veľmi nízkych teplotách dostane do rovnakého kvantového stavu a kvapalina začne vykazovať kolektívne kvantové správanie.
• Parovanie fermiónov: u hélia‑3 (fermión) musí nastať tvorba párov (podobne ako Cooperove páry v supravodičoch), aby mohla vzniknúť supertekutosť — to sa deje pri ešte nižších teplotách než u 4He.

Pre hélium‑4 je kritická teplota pre prechod do supertekutého stavu známa ako λ‑bod a je približne 2,17 K (približne −271 °C). Hélium‑3 prechádza do supertekutého stavu pri milikelvinových teplotách (tisíciny kelvina).

Typické vlastnosti supertekutín

• Nulová statická viskozita: supertekutina tečie bez vnútorného trenia a môže vytvárať perzistentné (trvalé) prúdy bez straty energie.
• Rollinov film a "vyliezanie" po stenách: supertekutina môže tvoriť veľmi tenkú vrstvu (film), ktorá sa rozprestiera po povrchu a môže „vyliezť“ cez okraj nádoby, čo vedie k javom ako samovoľné pretekanie.
• Fountain efekt (fontánový efekt): pri ohrievaní malej oblasti supertekutiny vzniká tlakový rozdiel, ktorý môže vytlačiť tekutinu cez tenké otvorenie ako fontánu.
• Kvantované víry: víry v supertekutine majú kvantizovaný obehový moment hybnosti — rotácia sa objavuje v podobe izolovaných vírových jadier s pevne danou cirkuláciou.
• Druhé zvukové šírenie: v supertekutinách môže existovať tzv. druhý zvuk — vlna teploty alebo entropy, ktorá sa šíri oddelene od bežného (hustotného) zvuku.
• Kritická rýchlosť: nad určitú rýchlosť prechodu kvapaliny sa supertekutosť naruší a začnú sa tvoriť excitácie alebo víry, ktoré vedú k odporu.

Ako supertekutinu meriame a pozorujeme

Výskumníci používajú rôzne experimente: meranie tepelnej vodivosti a druhého zvuku, vizualizáciu vírov pomocou malých trhačov (sivých častíc), rotačné nádoby a interferometriu. U hélia‑3 sa často používajú nízkoteplotné techniky a NMR (jadrová magnetická rezonancia) na štúdium vnútorných stavov.

Praktické využitie a význam vo výskume

• Vùči pokusom vo vesmíre: napríklad supertekuté hélium bolo použité v experimentoch na satelitoch pri chladení infračervených detektorov (odkaz v pôvodnom texte).
• Gyroskopy a inerciálne senzory: supertekutiny umožňujú veľmi presné merania rotácie a poskytujú stabilné kvantové referencie v pokročilých senzorientoch.
• Kvantové simulácie a ultrachladné atómové plyny: v posledných desaťročiach sa supertekuté vlastnosti skúmajú aj v Bose‑Einsteinových kondenzátoch atómov, ktoré umožnili napr. experimenty so spomalením svetla — známy výsledok (Lene Hau a spol.) spomalil pulz svetla v ultrachladnom kmeni atómov na rýchlosť rádovo desiatok km/h.
• Aplikácie v základnom výskume: supertekuté systémy slúžia ako modely pre štúdium makroskopických kvantových javov, kvantovej turbulence a stavov hmoty, ktoré môžu byť relevantné napr. v jadrovej astrofyzike (vnútro neutrónových hviezd môže obsahovať supertekuté zložky).

Zhrnutie

Supertekutosť je extrémne zaujímavý kvantový jav, pri ktorom kvapalina pri veľmi nízkych teplotách vykazuje nulovú viskozitu, kvantované víry, výnimočné tepelno‑dynamické vlastnosti a ďalšie efekty, ktoré nemajú obdoby v bežných kvapalinách. Hoci praktické použitie je obmedzené potrebou veľmi nízkych teplôt, supertekutiny sú nenahraditeľné v precíznych fyzikálnych experimentoch a v štúdiu fundamentálnych vlastností kvantovej hmoty.

Otázky a odpovede

Otázka: Čo je to supratekutosť?

Otázka: Ako sa superfluidita správa v nádobe?

Otázka: Čo je potrebné na vytvorenie supratekutín?

Otázka: Aké je využitie supratekutých látok vo vede?

Otázka: Čo je to supertvrdé teleso?

Otázka: Čo je to viskozita?

Otázka: Môže sa supratekutosť vyskytovať pri izbovej teplote?

Hľadajte podľa písmena