ابرشارگی در شبکه نانوحفره‌ایی بک بعدی و سه بعدی

ظهور ابرشارگی در هلیوم چهار ـ که در شبکه‌ای از حفره‌های نانوسکوپیک جذب شده‌است ـ به ابعاد و شکل حفره‌ها بستگی دارد. این پدیده را گروهی از محققان ژاپنی با بررسی رفتار هلیوم &#۱۷۸۰ در دو ماده نانومتخلخل مختلف، کشف کرده‌اند.

ظهور ابرشارگی در هلیوم چهار ـ که در شبکه‌ای از حفره‌های نانوسکوپیک
جذب شده‌است ـ به ابعاد و شکل حفره‌ها بستگی دارد. این پدیده را گروهی
از محققان ژاپنی با بررسی رفتار هلیوم ۴ در دو ماده نانومتخلخل مختلف،
کشف کرده‌اند.

معمولاً در مدل‌های نظری برای توصیف گذار یک سیستم حجیم سه‌بعدی از
فازی به فاز دیگر، به‌دلیل تأثیر کم، از نوسانات حرارتی و کوانتومی صرف
نظر می‌شود، اما با کوچک‌ شدن ابعاد سیستم، اهمیت نوسانات مذکور بیشتر
می‌شود.

برای درک بهتر چنین اثراتی، گروه مذکور ـ که شامل هیروکی ایکگامی از
مؤسسه تحقیقاتی اکتشافی RIKEN در واکو(Wako) است ـ رفتار هلیوم ۴ را در
دو ماده نانومتخلخل مختلف(که یکی از آنها شامل آرایه‌ای از کانال‌های
تک‌بعدی با عرض ۲٫۸ نانومتر و دیگری یک شبکه تناوبی از حفره‌های به‌هم‌پیوسته
در سه بعد با عرض ۲٫۷ نانومتر بودند) بررسی کرده‌اند. این محققان
توانستند تا اندازه‌ای حفره‌های مذکور را از طول ‌موج مشخصه نوسانات
حرارتی ـ که به‌عنوان فونون‌ها شناخته می‌شوند ـ در مایع کوچک‌تر کنند.

گذار یک مایع سه‌بعدی به رفتار ابرشارگی از طریق سردسازی تا پایین‌تر
از دمای بحرانی مایع، معمولاً با پیدایش چگالش ابرشاره و یک تغییر
ناگهانی در ظرفیت گرمایی آن همراه است؛ اما گروه مذکور دریافتند که
برای هلیوم چهاری که در درون شبکه‌ای یک‌بعدی از حفره‌های نانوسکوپیک
جذب شده‌است، چگالش ابرشاره نسبت به تغییر در ظرفیت گرمایی آن، در دمای
بسیار پایین‌تری ظاهر می‌شود.

ایکگامی در این باره می‌گوید:«اتم‌های هلیومی که به روی دیواره‌های
نانوحفره‌های ما جذب می‌شوند، همانند یک سیستم استوانه‌ای دوبعدی رفتار
می‌کنند. در یک ابرشاره دوبعدی، نوسانات، قابل‌توجه هستند و ترتیب
ماکروسکوپیک را از بین می‌برند؛ به همین دلیل، دمایی که در آن، ترتیب
ماکروسکوپیک ظاهر می‌شود ـ این دما از طریق پیدایش چگالش ابرشاره تعیین
می‌شود ـ بسیار پایین‌تر از دمایی است که در آن، ترتیب موضعی به وجود
می‌آید ـ این دما از طریق ظهور تغییر ناگهانی در ظرفیت گرمایی تعیین می‌شود».

این گروه دریافتند که در شبکه نانوحفره‌ای سه‌بعدی، تغییر ناگهانی در
چگالی و ظرفیت گرمایی ابرشاره، همانند یک مایع سه‌بعدی حجیم، در یک
دمای واحد رخ می‌دهد. محققان حدس می‌زنند که دلیل این امر، مانع ‌شدن
شبکه در برابر فونون‌هایی باشد که می‌توانند ترتیبِ بلندبرد را بر هم
بزنند؛ با این حال ایکگامی می‌گوید:«گرچه نتایج ما با استفاده از نظریه
سه‌بعدی ایده‌آل، بسیار خوب توصیف می‌شود؛ اما هم‌اکنون ما نمی‌توانیم
دلیل این تطابق را توضیح دهیم».

نتایج این تحقیق در نشریه Physical Review Letters به چاپ رسیده‌است.