Sinun ei tarvitse olla huolissasi siitä, että virvoitusjuoma valuu spontaanisti yli reunansa tai ampuu ylös ja ulos pillistä, josta yrität juoda. Tämä johtuu siitä, että virvoitusjuomat eivät ole mitään tässä videossa esitellyn supernesteen heliumin kaltaista.
Tutkijat ovat tienneet jo vuosikymmeniä, että jos nestemäistä heliumia jäähdytetään vain muutama aste sen kiehumispisteen -452 celsiusastetta (-269 celsiusastetta) alapuolelle, se pystyy yhtäkkiä tekemään asioita, joita muut nesteet eivät pysty tekemään, kuten valumaan molekyylien ohuiden halkeamien läpi, kiipeilemään ylös ja yli lautasen reunojen ja pysymään liikkumattomana, kun sen säiliötä pyöritetään.
Helium ei ole enää pelkkä neste, vaan siitä on tullut superneste – neste, joka virtaa ilman kitkaa. ”Jos asetat kupin, jossa neste kiertää, ja tulet takaisin 10 minuuttia myöhemmin, se on tietenkin lakannut liikkumasta”, sanoo John Beamish, kokeellinen fyysikko Albertan yliopistossa Edmontonissa. Nesteessä olevat atomit törmäävät toisiinsa ja hidastuvat. ”Mutta jos tekisit saman heliumin kanssa matalassa lämpötilassa ja tulisit takaisin miljoona vuotta myöhemmin”, hän sanoo, ”se liikkuisi yhä.”
Kuten monet muutkin fysiikan kokeet, jotka saavat sinut ajattelemaan ”häh?” – supernesteisyys perustuu kvanttimekaniikan vastakkaisiin sääntöihin. Mutta toisin kuin muut kvanttijutut, supernesteen heliumin outo käyttäytyminen on nähtävissä paljain silmin.
Varhaisen merkin heliumin oudosta käyttäytymisestä havaitsi jo vuonna 1911 hollantilainen fyysikko ja vuoden 1913 fysiikan Nobel-palkinnon saanut Heike Kamerlingh Onnes, kylmäkoneiden mestari, joka ensimmäisenä nesteytti heliumin. Onnes havaitsi, että helium (teknisesti helium 4 -isotooppi) alkoi helposti johtaa lämpöä alle -455,67 celsiusasteen (-270,92 celsiusasteen), joka tunnetaan myös lambda-pisteenä.
Vasta vuonna 1938 venäläinen fyysikko Pjotr Kapitsa ja itsenäisesti brittiläinen kaksikko John Allen ja Don Misener mittasivat heliumin virtausnopeuden kyseisen lämpötilan alapuolella parin lasilevyn läpi, jotka oli kiinnitetty mäntään ja pitkään, ohueen lasiputkeen. Viskositeetti oli niin alhainen, että Kapitsa, joka sai työstään oman Nobel-palkintonsa, keksi siitä termin ”superfluid” – suprajohde, joka tarkoittaa materiaalia, joka johtaa hyvin suuria sähkövirtoja ilman vastusta.
Efektin avaintekijä on heliumin ainutlaatuinen kyky pysyä nestemäisenä absoluuttiseen nollapisteeseen (-459,67 celsiusastetta eli -273,15 celsiusastetta) asti, eli lämpötilaan, jossa atomit teoriassa lakkaavat liikkumasta. Kun useimmat nesteet jäähdytetään, nesteen atomien välinen vähäinen vetovoima alkaa lopulta voittaa lämpövärähtelyt, ja hiukkaset asettuvat säännölliseen järjestykseen eli kiinteään aineeseen. Heliumatomit ovat kuitenkin niin kevyitä ja heikosti toisiinsa vetovoimaisia, että vaikka atomien tavanomaiset liikkeet ovat hiljentyneet, atomit heiluvat nollapisteliikkeessä, joka on kvanttiepävarmuusperiaatteen antama pieni momentti. Näin ollen ne eivät koskaan asetu kiinteään tilaan.
Heliumin likviditeetti alhaisissa lämpötiloissa mahdollistaa Bose-Einsteinin kondensaatioksi kutsutun muodonmuutoksen, jossa yksittäiset hiukkaset limittyvät toisiinsa, kunnes ne käyttäytyvät kuin yksi suuri hiukkanen. Yhdessä toimivat atomit eivät käyttäydy kuin yksittäiset atomit. ”Jos marssitte yhdessä, ette törmää toisiinne”, sanoo Moses Chan, joka tutkii superfluiditeettia Pennsylvanian valtionyliopistossa University Parkissa.
Tutkijat haluavat ajatella superfluidia heliumia kahden nesteen, normaalin ja superfluidin, seoksena. Erilaiset kokeet tuovat esiin näiden kahden jakeen vastakkaiset ominaisuudet. Yksinkertaisin ”koe” on seurata, kun nestemäistä heliumia täynnä oleva säiliö yhtäkkiä vuotaa, kun se jäähdytetään lambda-pisteen alapuolelle, ja kitkaton supernestefraktio alkaa valua mikroskooppisten halkeamien läpi, joihin normaali nestefraktio ei pääse. (”Supervuodot” ovat olleet nestemäisen heliumin parissa työskentelevien tiedemiesten riesa alusta lähtien, Beamish sanoo.) Mutta kun samaa heliumia sekoitetaan kuin kahvia, normaali nestefraktio vastustaa liikettä, sillä se antaa viskositeetin supernesteen seokselle.
Lämpötilan laskiessa supernestefraktio ottaa suuremman osan seoksesta. Alan kultapohjaisessa kokeessa tutkijat mittaavat näiden kahden jakeen suhdetta asettamalla näytteen sylinterimäiseen metalliastiaan, joka on ripustettu langan varassa. Kun he vääntävät lankaa, sylinteri pyörii ensin yhteen ja sitten toiseen suuntaan. Mutta vain normaali osa pyörii sylinterin mukana, koska sen ja sylinterin seinämien välillä on kitkaa; supranesteen osa leikkaa suoraan normaalin nesteen läpi ja pysyy paikallaan. Kun supernesteen osuus kasvaa, sylinteri pyörii nopeammin, ikään kuin sylinteri menettäisi painoaan (teknisesti inertia).
Superjuoksevan heliumin kaksoisluonne on jälleen toiminnassa, kun se kiipeää säiliön seinämiä pitkin. (Katso tämä YouTube-video efektistä.) Mikä tahansa neste päällystää astian sivut, jossa se istuu – jälleen atomien välisen vähäisen vetovoiman ansiosta – mutta nesteen sisäinen kitka rajoittaa sitä, kuinka pitkälle päällyste voi levitä. Supranesteisessä heliumissa kitkaton kalvo liukuu koko astian yli ja luo eräänlaisen areenan, jonka läpi supraneste voi virrata. Jos nesteellä on jokin paikka, jonne pudota sen jälkeen, kun se on noussut ulos astiasta, se tippuu astian pohjasta, kunnes se imee kaiken sen yläpuolelle kerääntyneen supernesteen.
Sama periaate on toisen kuuluisan demonstraation taustalla, jossa superneste ampuu nopeasti ulos avoimesta, lämmitetystä lasiputkesta, jonka pohjalle on pakattu hienoa jauhetta. Tätä kutsutaan superfluidisuihkulähteeksi, ja se johtuu siitä, että putken ulkopuolella oleva superfluidi syöksyy sisään viilentämään putken sisäpuolella lämmenneen superfluidin. (Allenin, suprajuoksevuuden toisen löytäjän, sanotaan havainneen ilmiön sen jälkeen, kun hän oli valottanut taskulampulla nestemäistä heliumia sisältävää lasiputkea.)
Suprajuoksevaa heliumia koskeva työ on tuottanut jo kolme Nobel-palkintoa, ja se voi vielä kerätä lisää. Vuonna 2004 Penn Staten Chan ja Eun-Seong Kim pyörittivät kiinteää heliumia täynnä olevaa rengasta 26 ilmakehän paineessa ja havaitsivat, että kun he jäähdyttivät heliumia kriittisen lämpötilan alapuolelle, pyörimisfrekvenssi kasvoi aivan kuten nestemäisellä heliumilla. Puoli tusinaa laboratoriota, mukaan lukien Beamishin laboratorio, tutkii ”supersolid-ilmiötä”, mutta tutkijat eivät vieläkään ole varmoja siitä, mitkä kiinteän aineen alkuaineet tiivistyisivät yhdeksi Bose-Einsteinin tilaksi.
Tehtävä on nyt nähdä, voiko supersolid-ilmiö saada aikaan supervuotoja tai muita tunnettuja superilmiöitä vastaavia ilmiöitä. ”Jos muita ainutlaatuisia ominaisuuksia voidaan osoittaa vakuuttavasti”, Beamish sanoo, ”kaikki olisivat yhtä mieltä siitä, että kyseessä on aineen uusi vaihe.”
