جسيمات شاهدة على الدوامات الكمومية سريع
في الهيليوم المبرَّد إلى ما يقارب الصفر المطلق، يتوقف السائل عن الاحتكاك بنفسه ويبدأ بالتدفق دون أدنى مقاومة. أطلق الفيزيائيون في مثل هذا الهيليوم فائق الميوعة كرات بوليمرية صغيرة — يتراوح قطرها من ميكرومتر واحد إلى ستة ميكرومترات، بحجم البكتيريا — وتابعوا سقوطها عبر إضاءة ليزرية. كانت الكرات تتوهج، وسجلت الكاميرا مساراتها.
بعض الكرات هبطت بانتظام، مثل حبات الرمل في شراب كثيف. بينما كانت كرات أخرى تقفز فجأة إلى الجانب، وكأنها تصطدم بخيوط غير مرئية. هذه الخيوط هي دوامات كمومية: دوامات دقيقة للغاية تتمزق فيها الميوعة الفائقة كما يتمزق الورق عند ثنيه. تنشأ الدوامات من ارتطامات حرارية ولا تختفي حتى عند 0.14 كلفن — أبرد بمئتي مرة من المجمد.
عندما نظر العلماء إلى حركة الكرات في مقاطع مختلفة من المسار، تغيرت الصورة. بالنسبة لأصغر الجسيمات، انقسمت السرعات إلى قمتين واضحتين — مثل طابقين في مبنى، حيث يستقل بعض السكان المصعد بينما يصعد آخرون الدرج. الكرات الأكبر غالبًا ما علقت في تشابكات الدوامات وبقيت معلقة في السائل لساعات، رغم أنه كان ينبغي لها أن تسقط وفقًا لكل القوانين. تعلم الفيزيائيون حساب عدد الجسيمات التي التصقت بالدوامات، ووصفوا سلوكها بمعادلة بسيطة — كما لو أنهم أحصوا الركاب العالقين على سلم متحرك.
هذه الكرات المضيئة هي كمجسات ألقيت في عاصفة غير مرئية. إنها تُظهر أين يتمزق سطح الميوعة الفائقة وكيف تلتصق الدوامات بالمادة. تساعد هذه التجارب في فهم الاضطراب — وهي ظاهرة تتحكم في الطقس وتدفق الدم على حد سواء، لكنها لا تزال لغزًا.
الملخص الأصلي
كما كتبه المؤلفون، بالإنجليزية arXiv:2604.00707
An injection system for polymer particles, with diameters ranging from 1 to 6 $$\mu$$m, has been developed for visualizing flows in superfluid $$^4$$He at temperatures down to 0.14 K. Using an ultrasound transducer, bursts of particles were launched into a sample of superfluid and allowed to descend under gravity. The particles were imaged using their fluorescence in the presence of a sheet of laser light. We report on the statistical behavior of particles during their descent, including descriptions of a mixture of smooth and erratic trajectories, indicative of the interactions with thermal excitations and quantized vortex lines. Temperature-dependent velocity distributions were measured and analyzed, yielding Gaussian distributions with power law tails persisting into the zero temperature limit. When sampled over increasing length scales, these distributions bifurcated into exponential for the smallest particles and bimodal Gaussian for the largest. We also report observations of long-lived suspensions of small particles at temperatures near 1 K, which appear to be associated with the trapping of large numbers of particles in a turbulent vortex tangle. A method was developed for identifying and quantifying the numbers of particles bound to vortex lines, allowing for a description of the temporal dynamics of their population by an analytical model.
الهيليوم فائق الميوعة يمكن أن يتسرب من كوب مفتوح عبر الجدران: فهو يزحف إلى أعلى الجدار متغلبًا على الجاذبية، لأن الاحتكاك داخل السائل يختفي.
في رواية «العمى الكاذب» للكاتب بيتر واتس، يستخدم طاقم السفينة سوائل فائقة الميوعة في أنظمة التبريد — ويواجهون تأثيرات كمومية تؤثر على إدراك الواقع.