Vrzající sníh a suprapevné hélium

neděle 18. říjen 2009 15:35

V běžném životě nemáme zpravidla příležitost se setkávat s kvantovými jevy na pozorovatelných rozměrech. Takové efekty jsou zpravidla vyhrazeny mikroskopickým objektům při teplotách hluboko pod bodem mrazu. S jedním kvantovým jevem se však můžeme setkat zcela běžně a dokonce může za určitých podmínek ohrozit náš život. Současně jde o jev, o jehož povaze fyzika neměla donedávna ještě ani tušení a ještě dnes někteří vědci o jeho existenci pochybují. Že to zní neuvěřitelně? Tak čtěte

Rozmanitost chování pozorovatelného světa určuje struktura molekul. V tom zvláště vyniká látka, kterou máme obvykle sklon považovat za jednu z nejobyčejnějších - voda H2O. Molekuly vody jsou silně polární díky rozdílné povaze atomů vodíku a kyslíku, ze kterých se skládají. A protože molekuly vody nejsou kulaté ani přímé, nýbrž zalomené, chovají se jako krátké elektricky nabité tyčinky, které mají tendenci se vzájemně spojovat do složitých prostorových útvarů, tzv. clusterů (čti "klastrů"). Chemici označují takové látky jako polymery, podobné plastům, ze kterých se vyrábějí různé výrobky denní spotřeby. Vazby mezi molekulami vody jsou však méně stálé a zvýšenou teplotou (zejména varem) se rozpadají. Důsledkem je řada anomálních vlastností vody, které se v široké míře uplatnily i při vzniku a rozvoji života na naší planetě.

Složitá struktura klastrů vody, tvořená dvacetistěny

V učebnicích fyziky se obvykle můžeme dočíst, že kluzkost ledu je způsobená tlakem brusle, díky kterému povrchová vrstva ledu roztaje a funguje tak jako mazadlo. Ale po ledu kloužou i zcela lehké předměty, jako třeba ocelová jehla, což si můžeme snadno vyzkoušet sami v ledničce (teplota tání ledu přitom stoupne o jeden stupeň teprve při tlaku 140 atmosfér). Příčinou je ve skutečnosti skutečnost, že krystaly ledu jsou v rozmezí teplot 0 až -33 °C samy od sebe neustále pokryté velmi tenkou vrstvičkou kapalné vody. Ta jim dodává třpytivý vzhled a kluzkost, čehož se využívá v zimních sportech. Tvorba kapaliny na povrchu krystalů je způsobená povrchovým napětím - polární molekuly vody jsou na povrchu nuceny se vzájemně orientovat, což jim ztěžuje vzájemné propojení a tvorbu ledu. Nicméně při velmi nízkých teplotách (pod -33 °C) zamrzá i povrchová vrstva vody a led pak ztrácí kluzkost jako ostatní látky a stává se zvonivě pružným a křehkým.

Kapalná vrstva molekul vody na povrchu ledu (vlevo je totéž při pohledu z boku)

Při chůzi sněhem při teplotách pod -5 °C se projevuje další jev: charakteristické vrzání sněhu, které se vysvětluje vzájemným třením vloček o sebe. Ale jiné práškové materiály tento jev nevykazují. Příčinou je jemný kvantový jev v povrchové vrstvě kapaliny, který se díky velkému počtu částic ve sněhu mnohonásobně zesiluje. Označuje se jako tzv. balistický transport, který byl nejprve popsán při vedení elektrického proudu v tenkých vrstvách polovodičů nebo grafitu a je příbuzný s mechanismem vzniku supravodivosti nebo supratekutého hélia za nízkých teplot. Drobné částice nebo elektrony při svém vzájemném stlačení vzájemně kompenzují své odpudivé síly a stávají se chaotickou kapalinou, která přenáší energii jako vlny bez odporu prostředí. Molekuly vody ve stlačené povrchové vrstvě tak mohou cestovat na určitou vzdálenost vysokou rychlostí bez tření aniž narážejí do sousedních částic, čímž se tlak vyrovná. Pokud se deformační síla obnoví, tlak v napěťové vrstvě znovu vzrůstá, až dojde opět k balistickému jevu a novému pohybu molekul. Děj se rychle opakuje mnohkrát za sebou, což se projevuje jako chrupání a vrzání sněhu.

Schéma balistického transportu na fázovém rozhraní

Uvedený jev mívá i své praktické důsledky při vzniku lavin. Mechanickým pnutím mezi vrstvami sněhu s různou hustotou může dojít k náhlému poklesu pevnosti a uvolněná vrstva sněhu se pak vydá do údolí jako pustošící lavina. Některé krystalické kovy s nízkým bodem tání, jako např. cín nebo indium vykazují podobné chování při svém mechanickém namáhání a při ohýbání charakteristicky vržou podobně jako sněhové koule. Vrzání sněhu nebo cínu lze tak pomocí kvantové mechaniky interpretovat jako kratičké okamžiky, kdy se v tenké vrstvě na povrchu krystalů tvoří supratekutina podobně jako supratekuté hélium za teplot daleko nižších. Pokud je tomu tak, můžeme se zeptat, jak by se chovalo zmrzlé hélium - nestalo by se také supratekuté?

Bohužel práce s pevným héliem je ještě mnohonásobně obtížnější, než s héliem kapalným. Díky neustálým nárazům částic tvořících vakuum se atomy helia i při teplotě absolutní nuly neustále pohybují podobně jako částice pylu nebo sazí rozptýlené ve vodě, kde se projevuje jako tzv. Brownův pohyb. Tento drobný kvantový pohyb brání atomům helia (které se navzájem prakticky nespojují) vytvořit krystalickou látku, dokud se nezvýší tlak asi na 230 atmosfér. Při takovém tlaku je ale obtížné studovat mechanické vlastnosti látek.   

Brownův pohyb zrnek pylu ve vodě pod mikroskopem

Uvedené experimentální potíže se podařilo překonat teprve zcela nedávno: do malé komůrky, ve které bylo pístem stlačené ztuhlé hélium za teplot blízkých absolutní nule byla umístěna pružná tyčinka se zavěšeným permanentním magnetem, který byl rozkmitáván pomocí elektromagnetu umístěného vně aparatury. Drobné pohyby magnetu uvnitř byly snímány a zesilovány pomocí vysoce citlivého supravodivého magnetometru, nazývaného SQUID. Pokud by bylo hélium uvnitř aparatury ztuhlé, nemohl by se ani magnet uvnitř komůrky nijak pohybovat. Ale v určitém rozmezí teplot bylo zjistěno, že i ztuhlé hélium se v aparatuře stává tekuté, takže se jím magnet pohybuje prakticky bez odporu. Pro svou analogii se vznikem supratekutosti v kapalinách byl jev pojmenován jako "suprapevnost". I když je tento název poněkud nešťastně zvolen a evokuje naopak představu velmi tvrdého materiálu, ve skutečnosti se jím označuje ztráta tuhosti pevného stlačeného helia, která je na rozdíl od stlačeného vrzajícího sněhu víceméně trvalá.

Schéma aparatury použité pro studování suprapevnosti

Fyzici vznik suprapevnosti vysvětlují tím, že při ztuhnutí ve vzorku helia vzniknou drobné krystalky (viz obrázek výše), na jejichž povrchu se udržuje tenká vrstva supratekutého helia i při teplotách pod bodem tání helia, podobně v případě vody na povrchu sněhových vloček. Supratekutina na povrchu krystalů směs krystalků promazává, takže se mechanickém namáhání chovají, jako kdyby byla supratekutý celý objem vzorku. Tomuto výkladu nasvědčuje i poněkud nestálý charakter suprapevnosti, která má sklon při delší době vymizet. Krystalky helia se totiž postupně zacelují podobně jako u sněhu, který stáním zhrubne a materiál v důsledku tepelného pohybu atomů postupně rekrystalizuje do podoby jednoho velkého krystalu. Suprapevnost je také velmi citlivá na izotopické složení helia, cizorodé atomy se totiž při krystalizaci hromadí na povrchu krystalků a překážejí tím balistickému pohybu supratekutiny, která se zde udržuje.

Vzorek tuhého helia za teploty blízké absolutní nule

 

Tyto praktické potíže zpočátku vedly k diskusím o příčině suprapevnosti a někteří fyzici otevřeně vyjadřovali své pochyby o tom, zda je tento jev vůbec reálný. V současné době se však suprapevnost za nízkých teplot považuje většinou vědců za spolehlivě prověřený jev a studují se jeho další důsledky a případné využití.  

Creative Commons License
Blog, jehož autorem je Milan Petřík, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

Milan Petřík