ما هو السائل الفائق

إن نظرية الفراغ الفائق، هي التي تُعرف أحيانًا بنظرية الفراغ، وهي نهج في الفيزياء النظرية وميكانيكا الكم، حيث يُنظر إلى الفراغ الفيزيائي الأساسي على أنه سائل فائق أو على أنه مكثف بوز آينشتاين (BEC).

السائل الفائق

في فيزياء العقدة تنتج السيولة الفائضة عن خصائص متشعب الزمكان، حيث أن السائل الفائق والتدفق قاما بتغير الاحتكاك والسلوك الغريب الآخر الذي لوحظ في الهيليوم السائل عند درجات حرارة تؤول إلى الصفر المطلق (273.15 درجة مئوية أو 459.67 درجة فهرنهايت).

وفي أقل استخدامًا على نطاق واسع قام بتغيير سلوك الاحتكاك المشابه للإلكترونات في مادة صلبة فائقة التوصيل، حيث أنه في كل حالة، ينشأ السلوك غير العادي من التأثيرات الميكانيكية الكمومية.

كيف يكشف تدفق السائل الكمومي خصائص السائل الفائق

اكتسب فريق من الفيزيائيين بقيادة أسترالية رؤى جديدة في السيولة الفائقة من خلال إنشاء سوائل كمومية متداخلة تتكون من الضوء والمادة في دلو مكون من الليزر، حيث قال مؤلف ورقة البحث الجديدة في (Physical Review Letters)، الدكتور إلييزر إستريتشو: أنه من المتوقع أن تكون هذه السوائل الكمومية متموجة مثل المحيطات، لكن التقاط صور واضحة للأمواج يمثل تحديًا تجريبيًا”.

قام الفريق بالصدفة بملاحظة الحركة المتموجة للسائل الكمومي، حيث تمكنوا من حساب سرعة الصوت في السائل، باستخدام دلو متحكم فيه ضوئيًا مملوء بجزيئات المادة الخفيفة الهجينة المعروفة باسم إكسيتون بولاريتون.

السائل الفائق هو أحد مجالات تركيز أبحاث (FLEET)، حيث أن الجسيمات التي تتدفق دون مقاومة يمكن أن يكون لها تطبيقات مستقبلية مهمة في الإلكترونيات منخفضة الطاقة، ولإنشاء السائل الكمومي (Exciton-polariton) وحصره، استخدم الفريق ضوء الليزر على شكل حلقة، والذي سلطوه على أشباه الموصلات، حيث يتحد ضوء الليزر مع أزواج ثقب الإلكترون داخل أشباه الموصلات لتشكيل الإكسيتون بولاريتونات وحبسها داخل الحلقة.

وعندما تبرد هذه الجسيمات فإنها تشكل جسمًا كميًا عملاقًا يسمى تكاثف بوز-أينشتاين (يشار إليه أحيانًا بالحالة الخامسة للمادة)، حيث يمكن رؤية الظواهر الكمومية على نطاق عياني، حيث أن الطاقة الزائدة التي تفقدها جزيئات التبريد لا تختفي بسهولة، لذا فإن المكثف سيعرض نوعًا من السلوك المتموج والمتذبذب، والذي يكون عشوائيًا لكل إدراك للتكثيف.

خصائص السائل الفائق

اللزوجة

تكون لزوجة المائع الفائق تقريبًا نفس اللزوجة للغاز، حيث تبلغ حوالي 1/10 ذلك السائل السائل، وبالتالي فإن السوائل الفائقة أقل مقاومة من السوائل تجاه المكونات التي تتدفق من خلالها، حيث تتميز لزوجة السوائل الفائقة أيضًا عن لزوجة السوائل في درجة الحرارة هذه بتأثير ضئيل على لزوجة السائل، ويمكن أن تؤثر بشكل كبير على لزوجة السوائل فوق الحرجة.

ترتبط خصائص اللزوجة والانتشار والكثافة ببعضها البعض، ويمكن أن يؤثر التغيير في درجة الحرارة والضغط عليهم جميعًا في مجموعات مختلفة، على سبيل المثال يؤدي الضغط المتزايد إلى ارتفاع اللزوجة ويؤدي ارتفاع اللزوجة إلى انخفاض الانتشار.

تطبيقات السائل الفائق

1. دراسة الموصلية الفائقة وصنع مغناطيس فائق التوصيل

في المستقبل، يخطط الفيزيائيون لمزيد من التحقيق في التفاصيل الإضافية للضوء الفائق، مثل كيفية ارتباطه بنظرية الكم الأساسية للضوء وكيفية ارتباطه بتكثيف بوز-آينشتاين، حيث يتنبؤون بأن حركة الموائع الفائقة هي خاصية عامة للضوء موجودة في مجموعة متنوعة من السيناريوهات، ولا تقتصر على مجموعة الدليل الموجي، ويمكن أن يكون للضوء الفائق أيضًا تطبيقات في تحسين النقل الخفيف.

ويستخدم السائل الفائق كمذيب كمي، وفي سائل الأشعة تحت الحمراء الفلكي (IRAS)، وفي الجيرسكوب، وفي المجال الطبي.

كيف يتم استكشاف السائل الفائق

الخصائص الفيزيائية الفريدة للسائل الفائق، التي لها قيم للكثافة والانتشار وقيم اللزوجة بين السوائل والغازات، حيث تتيح استخراج السوائل فوق الحرج لاستخدامها في عمليات الاستخراج التي لا يمكن القيام بها بواسطة السوائل؛ بسبب كثافتها العالية وانتشارها المنخفض والغازات بسبب كثافتها غير الكافية لاستخراج المكونات ونقلها.

يجب أن تخضع المخاليط المعقدة التي تحتوي على العديد من المكونات لعملية استخلاص قبل فصلها عن طريق الفصل الكروماتوجرافي، ويجب أن يكون إجراء الاستخراج المثالي سريعًا وبسيطًا وغير مكلف، وبالإضافة إلى ذلك، لا ينبغي اختبار فقدان العينة أو تحللها في نهاية الاستخراج.

بعد الاستخراج، يجب أن يكون هناك مجموعة كمية لكل مكون، ومن الناحية المثالية، يجب تقليل كمية المواد غير المرغوب فيها الناتجة عن الاستخراج إلى أدنى حد، ويمكن التخلص منها بسهولة، ويجب ألا تكون النفايات ضارة بالبيئة، ولسوء الحظ، غالبًا ما لا تلبي طرق الاستخراج التقليدية هذه المتطلبات، في هذا الصدد، يتمتع السائل الفائق بالعديد من المزايا مقارنة بالتقنيات التقليدية.

العوامل التي يعتمد عليها استخراج السائل الفائق

• تعتمد سرعة الاستخراج على لزوجة وانتشار الطور المتحرك؛ مع اللزوجة المنخفضة والانتشار العالي، يمكن للمكون المراد استخراجه المرور عبر الطور المتحرك بسهولة، حيث يساعد الانتشار العالي واللزوجة المنخفضة للسوائل فوق الحرجة، مقارنة بسوائل الاستخراج العادية، على استخلاص المكونات بشكل أسرع من التقنيات الأخرى.

• وبالتالي، يمكن أن تستغرق عملية الاستخراج 10-60 دقيقة فقط باستخدام السائل الفائق، بينما قد تستغرق ساعات أو حتى أيامًا بالطرق التقليدية، ويمكن تغيير كفاءة الذوبان للسائل الفائق من خلال درجة الحرارة والضغط،

• وفي المقابل، لا تتأثر السوائل بدرجة الحرارة وتغيرات الضغط كثيرًا، لذلك، فإن السائل الفائق لديه القدرة على تحسينها لتوفير قدرة تذويب أفضل، وفي الطرق الكلاسيكية، يلزم التسخين للتخلص من سائل الاستخلاص.

• ومع ذلك، فإن هذه الخطوة تتسبب في تحلل المواد الحساسة لدرجة الحرارة، وبالنسبة لـلسائل الفائق، عند إزالة الضغط الحرج، يتحول السائل الفائق إلى طور غازي، ولأن المذيبات السائلة الفائقة خاملة كيميائيًا وغير ضارة وغير مكلفة، يمكن إطلاقها في الغلاف الجوي دون ترك أي نفايات.

السوائل موجودة في كل مكان في الطبيعة، من الماء الذي يستهلك يوميًا إلى الهيليوم فائق السوائل وهو سائل كمي يظهر في درجات حرارة منخفضة لا تزيد عن بضع درجات فوق الصفر المطلق، إذ أن السمة المشتركة لهذه السوائل المختلفة إلى حد كبير هي الارتباط الذاتي في مساحة خالية على شكل قطرات.