על-נוזליות הינה תופעה המתרחשת במספר חומרים, אשר בטמפרטורות נמוכות ביותר סמוך לאפס המוחלט (בערך -273C) הינם עדיין במצב צבירה נוזלי. עם הורדת הטמפרטורה חומרים אלו עשויים לעבור למצב צבירה חדש, הנקרא על-נוזל, המתאפיין בכך שחלק מן הנוזל זורם ללא חיכוך. למשל, על-נוזל יכול להסתובב בתוך טבעת במהירות קבועה ללא איבוד אנרגיה. למעשה לא כל נפח הנוזל הופך לעל-נוזל מתחת לטמפרטורה הקריטית, אלא רק חלק ממנו. במצב זה מתקיימים שני נוזלים במקביל: נוזל רגיל ועל-נוזל, כאשר הם אינם מרגישים זה את זה (אין חיכוך). תופעה זו ניתנת להסבר רק באמצעות מכאניקת הקוואנטים. הדוגמא הנפוצה ביותר לחומר שכזה הוא ההליום (יסוד קל המסומן He), אשר בטמפרטורה של כ--271C מתחיל להפוך בחלקו לעל-נוזל.
התופעה של מזרקת על-נוזל בהליום (ראו תמונה (a)), נגרמת כתוצאה מהפרשי טמפרטורה. חוקרים הדגימו לאחרונה כי תופעה דומה מתקיימת גם עבור איזוטופ אחר של הליום (אטום He בעל גרעין קל יותר, המסומן He3) כתוצאה מהפרשי שדה מגנטי, והמזרקה עצמה הינה זרם של על-נוזל מגנטי המורכב מזוגות אטומי He3 הנושאים שדה מגנטי קטן משותף (ראו תמונה ((b). תופעה אקזוטית זו מתרחשת רק עבור טמפרטורות נמוכות במיוחד (אלפית הקלווין) ושדות מגנטיים חזקים.
בתמונה (a) מתוארת התופעה של מזרקת העל-נוזל: בין שני חלקי הכלי ישנו שסתום ספוגי אשר רק על-נוזל חסר חיכוך יכול לעבור דרכו. הפרש הטמפרטורות (∆T) בין שני חלקי הכלי יוצר הפרש לחצים, אשר מניע את הזרימה כלפי מעלה. בתמונה (b) אנו רואים את זוגות החלקיקים המרכיבים את העל-נוזל (צהוב) כאשר לכל אחד מורכב חץ קטן. חץ זה מסמן את כיוון המומנט המגנטי הפנימי של האטום, המתיישר עם כיוון השדה המגנטי (B) החיצוני. מאחר שרק העל-נוזל יכול לעבור את המחסום הספוגי, כל הזרם במזרקה הינו ממוגנט. במקרה זה הפרש הלחצים שהינו מקור הזרימה נובע מהפרש בשדה המגנטי (∆B), אשר הנוזל "שואף" לאזן.
ניתן לשאול: מדוע האטומים בעל-נוזל מסתדרים בזוגות ב-He3? הסיבה לכך נעוצה בעקרונות היסוד של מכאניקת הקוואנטים: אטומי ההליום הרגילים מסווגים כבוזונים (Bosons), שהם חלקיקים האוהבים לשבת יחדיו באותו מצב קוונטי - במקרה הזה זהו מצב העל-נוזל. לעומתם, אטומי ה-He3 הם פרמיונים (Fermions), שהם חלקיקים אשר לא מסוגלים לשבת שניים או יותר באותו מצב. אולם כאשר שני פרמיונים מזווגים יחדיו, הם מתנהגים כבוזון, ומתיישבים להם זוגות בתוך מצב העל-נוזל. אנו רואים על-כן, כי תופעת המזרקה מחברת פיסיקה מרתקת מעולם הקוואנטים יחד עם תופעת הנוזליות הקלאסית. המדידות בניסוי מצביעות כי רק חלק מזוגות האטומים בעל-נוזל הינם ממוגנטים, עובדה שלא עולה בקנה אחד עם התיאוריה הקיימת היום. בנוסף, מדדו החוקרים את הקצב שבו מאבדים זוגות האטומים את המגנטיזציה שלהם לאחר יציאתם מאזור ההשפעה של השדה המגנטי. הבנת התהליכים של איבוד המגנוט הינה רלוונטית לסוגים מסוימים של חומרים על-מוליכים, אשר תופעת העל-מוליכות של האלקטרונים בהם הינה אנלוגית לתופעת העל-נוזליות של האטומים, מן הסוג שנצפה בניסוי זה. לכך יכולות להיות השלכות מעשיות, אם נרצה להשתמש בעל-מוליכים אלו לבניית התקנים אלקטרוניים.
המזרקה המגנטית
בבליוגרפיה
(1) Shaun Fisher and George Pickett, Up the magnetic pressure, Nature 444, 832 (2006) & Image.
(2) A. Yamaguchi, S. Kobayashi, H. Ishimoto & H. Kojima, Minority spin condensate in the spin-polarized superfluid 3He A1 phase, Nature 444, 909 (2006).
מאת: ערן גנוסר
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
