Süper akışkan helyumun yüzyılı aşan bir anlayışa sahip bir sınır tabakası vardır, matematikçiler ilk defa gösterdiler.
Süper akışkan helyum kaba bir yüzeyden geçerken yarattığı bir ‘fırtına’ tabakasının keşfi, bir yüzyılda kuantum fiziğinin başındaki en önemli keşiflerden biri hakkında bir anlayışa dönüştü.
Newcastle Üniversitesi’nden (İngiltere) matematikçiler, süper akışkan Helyum’un yüzeylere sıradan bir sıvı kadar “yapışan” bir sınır tabakasına sahip olduğunu ilk kez gösterdi.
Bununla birlikte, sürtünme ile geri çekilen normal sıvılardan farklı olarak, süper-akışkan Helyumda, direnç, yavaş yavaş akan spagetti gibi mini kasırgaların yaratılmasıyla oluşur.
Akademik dergi Physical Review Letters’da yayınlanan “fırtınalı” katmanın bu ilk kanıtı, süper akışkanların nasıl hareket ettiği ve soğutucular olarak ve jiroskoplar gibi hassas ölçme aygıtlarında daha iyi anlaşılabilmesi için kullanılabilecek geçmiş varsayımlarını değiştirir.
Fırtına teakupunda
Makale üzerinde kurşun yazarı Newcastle Üniversitesi Matematik ve İstatistik Okulu’ndan Dr George Stagg, araştırma bulgularını görselleştirmek için yalnızca sabah cuppa’nızı düşünmeniz gerektiğini söylüyor.
“Bir bardak çay karıştırıp sonra kaşığı çıkardığınızı düşünün” diye açıklıyor.
“Çayların tamamı dönüyor gibi görünüyor, fakat aslında fincanın duvarında çay duruyor çünkü orada sıkıştığından çay duruyor Sürtünmeden dolayı bitişik sıvı tabakaları, fincan etrafında dönmeye çalışırken geri çekiliyorlar. Bu “sınır tabakası” yakında akışın durmasına neden olur.
“Fakat eğer bir fincan süper akışkan helyum ile tekrar edersek, akışkan sonsuza dek dönmeye devam edecektir, çünkü sürtünme yoktur ve sınır tabakası geri tutmak için değildir.
“Ya da en azından bu her zaman inanılıyor.
“Araştırmamızın gösterdiğine göre, bu fenomen sadece mükemmel pürüzsüz yüzeyler için geçerlidir, eğer yüzey” nanometre “boyutuna kadar” tüm yüzeyler “olduğu taktirde mini tornadolar yüzeyden geçerken aşırı akışkan akıntılar yaratır.
“Bu dönen girdaplar, spagetti gibi birbirine yapışır – tıpkı spagettiğinizi boşalttığınızda ve tencerede çok uzun süre bıraktığınızda olduğu gibi – birbirine yapışırlar, böylece serbest hareket eden sıvı ile yüzey arasında yavaş hareket eden bir sınır tabakası oluşur.
“Teucupumuzda, aslında kenarın etrafında göreceğimiz şey, bir fırtına; birbirine yapışan ve dolambaçlı yorucu topraklardan oluşan bir tabaka, sınırın neredeyse durduğu yere kadar akış akışını getiriyor.
“Bu, geçmişteki anlayışımızın aksine, süper akışkan helyumun aslında sıradan bir akışkanla aynı şekilde davranıldığı anlamına geliyor.”
20. yüzyılın en önemli keşiflerinden biri
Helyum asla katılaşmayacak ancak aşırı derecede düşük sıcaklıklarda bile sıvı halde kalması bilinen az bilinen elementlerden biridir.
1908 yılında Hollandalı fizikçi Kamerlingh Onnes, helyumu sıvılaştıran ilk kişi oldu ve iki yıl sonra mutlak sıfırın sadece birkaç dereceye kadar soğutulduğu zaman keşfetti; aniden kaynar durdu.
Bununla birlikte, bilim adamları süper soğuk helyumun garip özelliklerini açıklamaktan birkaç on yıl sonra olurlardı – viskozitesinin olmaması ve yalnızca sabit büyüklük ve kuvvetteki küçük kasırgalar vasıtasıyla girdap kısıtlaması.
Diğer özellikler ile birlikte bunlar, ‘süper akışkanlık özelliklerini’ oluşturdu.
Makale üzerinde Uygulamalı Matematik Kıdemli Öğretim Görevlisi ve ortak yazar Dr. Nick Parker, “Bu engellenmeyen akış, bir süper akışkanın en heyecan verici özelliklerinden biriydi” diye açıklıyor.
“Sürtünme yasalarını bildiğimizi düşündüğümüz her şeyi değiştirdi, örneğin bir fincan çay karıştırıp bir” kasırga “yaratırsak, kaşık çıkardığı anda kasırga yavaşlamaya başlar ve sonunda durur. Bir süper akışkanı karıştırıyoruz, kasırga kaşık bile kaldırıldıktan sonra bile sonsuza kadar devam edecektir.
“Bu viskozite eksikliği, bir süper akışkan tanımlayan anahtar özelliklerden biridir.”
Sınır katmanlarının önemi
Sınır tabakalar, günlük sıvıların, geçmiş yüzeyleri akan, viskoz kuvvetler tarafından yavaşlatıldığı ve sınır tabakasında olup bittiğinin anlaşılması mühendislikte özellikle önem taşındığında ortaya çıkar.
“Süper akışkanlar ve klasik akışkanlar arasındaki bu yakın bağlantıyı görmek, bu görünüşte birbirinden farklı sıvı türleri arasındaki bağlantıları birleştirmemize yardımcı olur ve muhtemelen yüzeyler üzerinde sıvıların nasıl aktığına dair evrensel bir anlayış oluşturur” diyor Dr Parker.
“Sınır tabakaları, boru vasıtasıyla sıvı akışını artırmak veya inşaat malzemeleri üzerine yağmur suyunu akıtmak gibi birçok uygulamada normal akışkanlarda çok önemlidir.
Şimdi, süper akışkanlarda, bu anlayışı, soğutucu olarak ve cayroskoplar gibi hassas ölçüm cihazlarında uygulamalarını iyileştirmek için kullanabiliriz. ”
Kaynak:
Newcastle Üniversitesi