Siêu chất lỏng là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Siêu chất lỏng là trạng thái vật chất ở nhiệt độ cực thấp, cho phép chất lỏng chảy không ma sát, không mất động năng và xuyên qua mao mạch bất chấp lực cản. Hai đặc trưng cơ bản là độ nhớt hiệu dụng bằng không và khả năng dẫn nhiệt vô hạn, thể hiện tính chất lượng tử vĩ mô của toàn bộ hệ thống.

Giới thiệu

Siêu chất lỏng (superfluid) là trạng thái vật chất kỳ dị xuất hiện ở nhiệt độ rất thấp, cho phép chất lỏng chảy mà không ma sát nội tại và không mất năng lượng. Tính phi ma sát thể hiện qua khả năng siêu chất lỏng duy trì vận tốc không đổi trong ống mao mạch, len lỏi qua khe hở và thậm chí tràn qua thành bể chứa mà không giảm mực.

Hiện tượng siêu chảy chứng tỏ hành xử lượng tử vĩ mô: toàn bộ nguyên tử đồng bộ hóa pha lượng tử, tạo ra một “súp lượng tử” thống nhất. Hệ quả là xuất hiện các đợt sóng lượng tử và vortex lượng tử (quantized vortices), khác hẳn cơ chế chảy trong chất lỏng cổ điển.

Nghiên cứu siêu chất lỏng không chỉ làm sáng tỏ tính chất của helium-4 và helium-3, mà còn mở đường cho các ứng dụng trong vật lý hạt nhân (mô phỏng neutron star crust), công nghệ lượng tử (máy quay siêu dẫn) và vật liệu 2D (graphene siêu chất lỏng giả lập). Khám phá siêu chảy góp phần phát triển lý thuyết Condensate Bose–Einstein và Cooper pairing.

Định nghĩa và đặc trưng

Siêu chất lỏng được định nghĩa là chất lỏng có độ nhớt hiệu dụng bằng không (η → 0) và khả năng dẫn nhiệt vô hạn (κ → ∞) khi nhiệt độ giao động dưới một ngưỡng tới hạn Tc. Hệ số nhớt bằng không cho phép chất lỏng chảy không tiêu hao động năng, trong khi độ dẫn nhiệt vô hạn dẫn tới cân bằng nhiệt nhanh chóng khắp hệ thống.

Mô hình hai pha của Landau chia mật độ chất lỏng thành thành phần siêu chảy ρs và thành phần bình thường ρn:

ρ=ρs+ρn \rho = \rho_s + \rho_n
  • ρs (superfluid density): tỷ lệ phần chất liệu tham gia vào BEC hoặc Cooper pairing, không chịu ma sát.
  • ρn (normal density): phần chất còn lại phối hợp như chất lỏng thông thường, chịu ma sát và truyền nhiệt.

Hai đặc trưng quan trọng khác là vận tốc siêu chảy vs liên hệ với pha ψ = |ψ| e của sóng lượng tử:

vs=mϕ \mathbf{v}_s = \frac{\hbar}{m}\,\nabla\phi

vs không thể có độ quay (curl) ngoại trừ tại vortex lượng tử, nơi pha φ đổi bội 2π, tạo ra dòng xoáy có lưu lượng mực lượng tử h/m.

Lịch sử phát triển

Năm 1937, nhà vật lý P. Kapitsa tại Liên Xô và J.F. Allen – A.D. Misener tại Anh độc lập quan sát helium-4 trở thành chất lỏng có tính phi ma sát ở nhiệt độ dưới 2.17 K (điểm Lambda). Khám phá này mang về giải Nobel Vật lý năm 1978 cho Kapitsa.

Năm Công bố Đột phá
1937 Kapitsa, Allen & Misener Phát hiện siêu chảy helium-4
1941 Landau Mô hình hai pha, lý thuyết phổ kích thích
1957 Bose–Einstein Condensation Hiện thực BEC ở helium-4
1972 Osheroff, Richardson, Lee Khám phá siêu chảy helium-3 qua Cooper pairing (APS)

Helium-3, fermion với spin 1/2, chỉ trở thành siêu chất lỏng ở nhiệt độ <2.5 mK nhờ cơ chế đồng bộ hóa Cooper pairing tương tự siêu dẫn điện tử. Phát hiện này mang lại giải Nobel Vật lý năm 1996 cho D. Osheroff, D. Richardson và D. Lee.

Cơ sở cơ học lượng tử

Siêu chất lỏng thể hiện trạng thái vĩ mô lượng tử: toàn bộ hệ thống được mô tả bởi hàm sóng duy nhất ψ(r,t) với module |ψ|2s. Phương trình Gross–Pitaevskii (nonlinear Schrödinger) mô tả động lực của BEC ở helium-4 và khí alkali:

iψt=(22m2+V+gψ2)ψ i\hbar\frac{\partial\psi}{\partial t} = \left(-\frac{\hbar^2}{2m}\nabla^2 + V + g|\psi|^2\right)\psi

Trong đó g liên quan tới tương tác hai hạt. Các mode dao động lượng tử gồm phonon (sóng âm) và roton (minima năng lượng ở p ≈ 1.9Å⁻¹) quyết định nhiệt động và cấu trúc xoáy.

Vortex lượng tử xuất hiện khi pha φ xoay quanh lõi, dòng xoáy có lưu lượng h/m. Chu vi vòng xoáy = nh/m, với n ∈ ℤ, thể hiện tính lượng tử hóa moment động lượng (PRL).

Các đặc tính độc đáo

Hiệu ứng “fountain” (đài phun) thể hiện khi siêu chất lỏng được đun nóng ở một ngăn kín, chảy lên qua ống mao mạch và phun ra, bất chấp trọng lực. Hiệu ứng này cho thấy gradient nhiệt tạo ra dòng siêu chảy do thành phần siêu dịch chuyển từ vùng lạnh về vùng nóng.

“Second sound” (sóng nhiệt thứ hai) là sóng lan truyền không phải do mật độ gây ra mà do biến thiên entropy và nhiệt độ, với vận tốc v₂ ≈ 20 m/s trong helium-4 gần 1.7 K. Sóng này cho phép đo trực tiếp mật độ siêu và bình thường trong mô hình hai pha.

  • Quantized vortices: Luồng xoáy lượng tử có nhịp lưu lượng h/m; mật độ vortex tăng theo tốc độ quay bể.
  • Meniscus creep: Siêu chất lỏng leo lên thành bình cao hơn mực chất lỏng do áp suất chênh lệch.

Ứng dụng và mô phỏng thiên văn

Trong vật lý thiên văn, siêu chất lỏng helium-3 analogies được dùng để mô phỏng lớp vỏ neutron star, nơi neutron tạo Cooper pair và có thể hình thành siêu chất neutron. Tính chất ma sát bằng không giải thích sự mất năng lượng xoay chậm của pulsar qua “glitch” đột ngột.

Trong công nghệ lượng tử, siêu chất lỏng kết hợp với siêu dẫn làm thành máy quay gyroscope siêu chính xác (superfluid gyroscope) ứng dụng trong định vị quán tính và kiểm soát vệ tinh (AIP Advances).

  • Máy quay siêu dẫn: Dùng vòng superfluid helium-4 đo dự đoán độ quay với độ nhạy 10−9 rad/s.
  • Quantum simulation: BEC khí alkali trong bẫy quang học giả lập siêu chất lỏng electron trong graphene.

Tiến triển nghiên cứu và xu hướng tương lai

Công nghệ BEC với khí alkali đã đạt Tc ~100 nK, mở ra khả năng quan sát siêu chảy trong hệ 1D, 2D và tạo vortex nhân tạo bằng laser xoắn (optical vortex) (Nature Physics).

Ứng dụng microfluidic với kênh siêu chất lỏng trên chip đang phát triển để nghiên cứu tương tác lượng tử trong hệ mở, đồng thời thử nghiệm các định luật thủy động lượng tử tại nhiệt độ thấp.

Materials informatics kết hợp machine learning dự đoán đặc tính siêu chảy của hợp chất mới như H2 dưới áp suất cao, giúp tìm kiếm siêu chất siêu dẫn ở điều kiện dễ tiếp cận hơn (ScienceDirect).

Danh mục tài liệu tham khảo

  • Kapitsa P. “Viscosity of liquid helium below the λ-point.” Nature, 1938;141:74–75.
  • Landau L.D. “Theory of the Superfluidity of Helium II.” Phys. Rev., 1941;60:356–358.
  • Osheroff D.D., Richardson R.C., Lee D.M. “Evidence for a New Phase of Solid He³.” Phys. Rev. Lett., 1972;29:920–923.
  • Pethick C.J., Smith H. “Bose–Einstein Condensation in Dilute Gases.” Cambridge University Press, 2008.
  • Barenghi C.F., Donnelly R.J., Vinen W.F. “Quantized Vortex Dynamics and Superfluid Turbulence.” Springer, 2001.
  • Guo M. et al. “Observation of second sound in a superfluid Bose gas.” Nature, 2021;597:Be.
  • Bradley D.I., et al. “Bose-Einstein condensation dynamics in microgravity.” NPJ Microgravity, 2017;3:20.

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề siêu chất lỏng:

Cơ chế phản ứng trên các chất xúc tác axit lỏng và rắn. Mối tương quan với độ chua Dịch bởi AI
Catalysis Letters - Tập 71 - Trang 95-103 - 2001
Các đầu dò được sử dụng để đo độ mạnh của các chất xúc tác axit cần có cấu trúc tương tự như các nền tảng xúc tác. Các phép đo độ acid truyền thống không áp dụng được khi quá trình chuyển proton hình thành các ion đôi chặt chẽ, như trong các axit rắn. Hơn nữa, các axit rắn yếu hơn nhiều so với các axit lỏng có cấu trúc tương tự. Việc kích hoạt alkan bằng cách cắt C–H và C–C, được chứng minh trong ...... hiện toàn bộ
#axit #chất xúc tác #cơ chế phản ứng #carbocation #siêu axit
PHÁT SIÊU LIÊN TỤC TRONG SỢI TINH THỂ QUANG TỬ LÕI ĐẶC ĐƯỢC LẤP ĐẦY BỞI HỖN HỢP CHẤT LỎNG NƯỚC-RƯỢU
Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ quân sự - Số 66A - Trang 92-102 - 2020
Trong bài báo này, chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu số sự phát siêu liên tục của sợi tinh thể quang tử lõi đặc được lấp đầy bởi hỗn hợp chất lỏng nước-rượu. Sợi tinh thể quang tử được chế tạo bằng thủy tinh mềm NC21, nó bao gồm 7 vòng lỗ khí được lấp đầy bởi hỗn hợp nước-rượu. Chúng tôi cũng xem xét ảnh hưởng của nồng độ rượu đối với độ tán sắc của mode cơ bản. Quá trình phát siêu liên tục đ...... hiện toàn bộ
#Photonic crystal fiber; Dispersion; Refractive index; Water-ethanol mixture; Borosilicate glass.
Xác định Np, Pu và Am trong chất thải phóng xạ cấp cao bằng phương pháp đếm scintillation lỏng bằng chiết xuất Dịch bởi AI
Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry - Tập 183 - Trang 245-260 - 1994
Một phương pháp mới để xác định các nguyên tố siêu uranium, Np, Pu và Am bằng phương pháp đếm scintillation lỏng đã được nghiên cứu một cách hệ thống. Quy trình tách Pu và Am bằng phương pháp chiết xuất HDEHP-TRPO và tách Np bằng phương pháp chiết xuất TTA-TiOA đã được phát triển, nhờ đó hiệu suất thu hồi của Np, Pu và Am lần lượt đạt 97%, 99% và 99%, trong khi các yếu tố làm sạch cho các sản phẩm...... hiện toàn bộ
#siêu uranium #Np #Pu #Am #phương pháp đếm scintillation lỏng #chất thải phóng xạ cấp cao #tách chiết #hiệu suất thu hồi #phân hạch
Sôi holographic và mô tả nhiệt động học tổng quát ngoài cân bằng cục bộ Dịch bởi AI
Journal of High Energy Physics - Tập 2020 Số 9 - Trang 1-37 - 2020
Bằng cách điều chỉnh một mô hình siêu chất lỏng holographic hai thành phần rất đơn giản, chúng ta có thể có một sự chuyển pha bậc nhất giữa hai pha siêu chất lỏng trong giới hạn dò. Dựa trên thảo luận về cảnh quan tiềm năng, một hình ảnh vật lý trực quan cho các hệ thống có chuyển pha bậc nhất được cung cấp. Chúng tôi nhấn mạnh rằng holography hoàn toàn cung cấp một mô tả nhiệt động học tổng quát ...... hiện toàn bộ
#holographic #siêu chất lỏng #chuyển pha bậc nhất #tường miền #động lực học thời gian thực #cấu hình tường miền #độ căng bề mặt
Âm học của siêu chất lỏng theo thuyết tương đối Dịch bởi AI
Journal of Experimental and Theoretical Physics - Tập 84 - Trang 729-733 - 1997
Tốc độ lan truyền của âm thanh thứ nhất và thứ hai ở các nhiệt độ tùy ý được tính toán ở đây lần đầu tiên theo thuyết đồng biến đã được chấp nhận hiện nay về siêu chất lỏng. Các sóng chấn động cường độ thấp được xem xét. Trong giới hạn nhiệt độ thấp, các kết quả phù hợp với những biểu thức đã biết được thu được bằng phương pháp khác.
#siêu chất lỏng #âm thanh thứ nhất #âm thanh thứ hai #lý thuyết đồng biến #sóng chấn động #nhiệt độ thấp.
Tán xạ ánh sáng bởi sóng ngang trong chất lỏng siêu lạnh và ứng dụng vào metatoluidine Dịch bởi AI
The European Physical Journal B - Tập 9 - Trang 401-419 - 1999
Chúng tôi thảo luận về các phương trình thủy động học mô tả động lực học cắt của một chất lỏng được cấu thành từ các phân tử không đồng nhất, cả trong pha bình thường và pha siêu lạnh của nó. Chúng tôi sử dụng các phương trình này để phân tích các thí nghiệm tán xạ ánh sáng không phân cực được thực hiện trong pha siêu lạnh của một chất lỏng hình thành thủy tinh, metatoluidine, và cho thấy rằng thô...... hiện toàn bộ
#tán xạ ánh sáng #sóng ngang #chất lỏng siêu lạnh #metatoluidine #độ nhờn cắt.
Phân tích tổng hợp axit béo của các sản phẩm xà phòng từ dầu thực vật bằng phương pháp chiết xuất/phản ứng chất lỏng siêu tới hạn Dịch bởi AI
Journal of the American Oil Chemists' Society - Tập 75 - Trang 1291-1295 - 1998
Bã xà phòng từ các quy trình tinh chế dầu thực vật là một sản phẩm phụ có giá trị gia tăng mà tìm thấy ứng dụng công nghiệp tiếp theo dựa trên hàm lượng axit béo của nó. Do hàm lượng axit béo của bã xà phòng có thể thay đổi theo nguồn gốc dầu thực vật hoặc phương pháp tinh chế, việc xác định tổng hàm lượng axit béo (TFA) bằng một phương pháp phân tích chính xác là điều quan trọng đối với người mua...... hiện toàn bộ
#bã xà phòng #dầu thực vật #tổng hàm lượng axit béo #chiết xuất chất lỏng siêu tới hạn #phản ứng enzym
Biến dạng chùm sáng trong thiết bị thử nghiệm Doppler siêu âm: đo đạc bằng mô phỏng dây Dịch bởi AI
Proceedings of the 19th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 'Magnificent Milestones and Emerging Opportunities in Medical Engineering' (Cat. No.97CH36136) - Tập 4 - Trang 3304-3307 vol.4
Ống trong các thiết bị dòng chảy được sử dụng để thử nghiệm các thiết bị siêu âm Doppler có thể làm suy yếu và biến dạng chùm sáng cũng như thể tích mẫu thông qua hiện tượng khúc xạ, phản xạ, hấp thụ và chuyển đổi chế độ. Độ suy yếu và mức độ biến dạng đã được đo đạc bằng cách sử dụng một vật thử nghiệm bằng dây di chuyển và các ống ứng cử viên đã được so sánh. Các loại ống như cao su, TFE-Teflon,...... hiện toàn bộ
#Hình ảnh siêu âm #Thử nghiệm #Đo lường biến dạng #Đo lường dòng chảy chất lỏng #Đo lường biến số siêu âm #Mô phỏng hình ảnh #Thiết bị #Phản xạ quang học #Hấp thụ #Suy giảm
Xác định Isotianil trong gạo nâu và đất bằng phương pháp chiết xuất chất lỏng siêu tới hạn và sắc ký khí/khối phổ Dịch bởi AI
Analytical Sciences - Tập 29 - Trang 919-922 - 2013
Isotianil (3,4-dichloro-2'-cyano-1,2-thiazole-5-carboxanilide) là một loại thuốc trừ sâu kích thích thực vật mới. Việc sử dụng loại thuốc trừ sâu này đã được phê duyệt cho các cánh đồng lúa vào năm 2010 và sản lượng của nó đã tăng lên 400 lần (2 × 10^4 kg) trong năm tiếp theo. Trong công trình này, một phương pháp xác định isotianil trong gạo nâu và đất cánh đồng lúa đã được nghiên cứu lần đầu tiê...... hiện toàn bộ
#Isotianil #gạo nâu #đất #chiết xuất chất lỏng siêu tới hạn #sắc ký khí #khối phổ
Siêu tụ điện đối xứng hiệu suất cao trên nền tảng chất lỏng dựa trên cực âm được điện phân một bước của sulfide hỗn hợp niken mangan hình dạng vỏ cây nứt trên vải carbon hoạt tính Dịch bởi AI
Science China Technological Sciences - Tập 65 - Trang 293-301 - 2021
Trong nghiên cứu này, chúng tôi báo cáo một điện cực siêu tụ điện tự đứng hiệu suất cao của các sulfide niken mangan (NMS) hỗn hợp với hình dạng vỏ cây nứt được phát triển thông qua quy trình điện phân một bước trên vải carbon hoạt tính (ACC). Điện cực này sở hữu các tính chất điện hóa xuất sắc, bao gồm một điện dung riêng cao lên đến 3142.8 F g−1 ở mật độ dòng 1.0 A g−1, hiệu suất ở tốc độ cao (∼...... hiện toàn bộ
#siêu tụ điện #sulfide niken mangan #điện phân một bước #điện cực tự đứng #carbon hoạt tính
Tổng số: 31   
  • 1
  • 2
  • 3
  • 4