‘Akabilen’ değil, aynı zamanda ‘tırmabilen’ sıvı: 2 Kelvinlik Helyum

Helyumu yaklaşık 2 Kelvin’e soğuttuğunuzda, kelimenin tam anlamıyla sıfır viskoziteye sahiptir ve böylece katı seramikler ve duvarlar boyunca tırmanabilir.

Araştırmacılar, onlarca yıldır sıvı helyumun -452 derece Fahrenheit (–269 santigrat derece) kaynama noktasının altında bir dereceye kadar soğutursanız, diğer akışkanların molekül yoluyla yapamayacağı şeyler yapabileceğini biliyorlardı.

Artık sadece sıvı değil, helyum bir süper sıvı haline geldi - sürtünmeden akan bir sıvı. Edmonton’daki Alberta Üniversitesi’nde deneysel bir fizikçi olan John Beamish, “Eğer bir sıvı ile bir bardak ayarlayıp içine doldursaydınız ve 10 dakika sonra geri dönseydiniz, elbette hareket etmeyi durdurur” diyor. Sıvıdaki atomlar birbiriyle çarpışacak ve yavaşlayacaktır. “Ama bunu helyumla düşük sıcaklıkta yaptıysanız ve bir milyon yıl sonra geri döndüyseniz, yine de hareket eder” diyor.

Süperakışkanlık kuantum mekaniğinin mantık dışı kurallarından akıyor. Ama diğer kuantum şeylerin aksine, süper sıvı helyumun tuhaf davranışı çıplak gözle görülebilir.

1911 yılında helyumun garip davranışının erken bir işareti, 1911 yılında Hollandalı fizikçi ve 1913 Nobel fizik ödülü sahibi Heike Kamerlingh Onnes, helyumu sıvılaştırmak için ilk olan bir soğutma ustası tarafından gözlemlendi. Onnes, helyumun (teknik olarak, helyum 4 izotopu), lambda noktası olarak da bilinen -455.67 derece F’nin (-270.92 derece C) altında ısısını hazırlamaya başladığını buldu.

Etkinin anahtarı, helyumun mutlak sıfıra (-459.67 derece F veya -273.15 derece C) kadar sıvı kalması ve atomların teorik olarak hareket etmesinin durduğu sıcaklıktır. Sıvıların çoğu soğutulduğunda, akışkan içindeki atomlar arasındaki hafif çekim en sonunda ısı titreşimlerinin üstesinden gelmeye başlar ve parçacıklar düzenli bir sıraya, yani bir katıya yerleşirler. Fakat helyum atomları, atomik hareketler sessizleştiğinde bile atomların sıfır nokta hareketiyle, kuantum belirsizlik ilkesi tarafından verilen hafif bir momentumla sallanmasına neden olacak kadar hafif ve zayıf bir şekilde çekilir. Bu nedenle, asla katı duruma yerleşmezler.

Helyumun düşük sıcaklıklarda likiditesi, Bose-Einstein yoğuşması denilen, tek tek parçacıkların büyük bir parçacık gibi davranana kadar üst üste bindiği bir dönüşümü gerçekleştirmesini sağlar. Birlik içinde hareket eden atomlar, bireysel atomlar gibi davranmazlar. University Park’taki Pennsylvania Eyalet Üniversitesi’nde aşırı nemlilik inceleyen Moses Chan, “Birlik içinde yürürseniz birbirinizle çarpışmazsınız” diyor.

Araştırmacılar süper sıvı akışkanın iki sıvı, bir normal ve bir süper sıvı karışımı olarak düşünmeyi severler. Farklı deneyler, iki fraksiyonun zıt karakterlerini ortaya çıkarır. En basit “deney”, sıvı helyumla dolu bir kap, aniden lambda noktasının altında soğutulduğu ve sürtünmesiz süper akışkan fraksiyonun, normal sıvı fraksiyonunun giremeyeceği mikroskobik çatlaklardan dökülmeye başladığı zaman bir sızıntıya dönüştüğünü izlemektir. (“Süper sızıntılar”, ilk günlerden beri sıvı helyumla çalışan bilim adamlarının kanadıydı, Beamish diyor.) Ama aynı helyumu kahve gibi karıştırın ve normal sıvı fraksiyonu harekete direnecek ve süper sıvı karışımına viskozite kazandıracak herşey.

Sıcaklık düştüğünde, süper sıvı fraksiyonu, karışımın daha büyük bir payını alır. Alanın altın standart deneyinde, araştırmacılar, bir tel ile askıya alınan silindirik bir metal kutuya bir örnek yerleştirerek iki fraksiyonun oranını ölçmektedir. Tele bir bükülme verdiklerinde, silindir bir yöne, sonra diğerine dönecektir. Ancak, silindir ile sadece sürtünme nedeniyle silindir ile normal fraksiyon dönecektir; Süper sıvı kısmı normal sıvıdan sağa doğru keser ve hala kalır. Süper sıvı oranı arttıkça silindir sanki ağırlık kaybetmiş gibi (teknik olarak, atalet) daha hızlı döner.