6.10 Bose–Einstein-kondensasjon og superfluiditet

Hjem ／ Kapittel 6: Kvantedomenet

I. Fenomener og spørsmål

Når en samling bosoniske objekter kjøles til svært lave temperaturer, slutter de å opptre hver for seg og legger seg sammen i én kvantetilstand. Hele systemet svinger da i takt, som om et jevnt fase-teppe var rullet ut. Typiske observasjoner er: to uavhengig forberedte skyer av kalde atomer som, når de slippes samtidig, danner klare interferensstriper; i et ringformet kar kan væsken strømme lenge uten merkbar motstand; og ved svært langsom omrøring er viskositeten nesten null, men over en terskel dukker kvantiserte virvler brått opp. Dette er det klassiske bildet av Bose–Einstein-kondensasjon og superfluid strømning.

Spørsmålene er: hvorfor glir en tilstrekkelig kald væske nesten uten friksjon; hvorfor opptrer strømningshastigheter ikke kontinuerlig, men i kvantiserte trinn; og hvorfor ser normal komponent og superfluid komponent ut til å sameksistere i samme materiale?

II. Energifilamentteorien (EFT): fase-låsing, kanallukking og kvantiserte defekter

I Energifilamentteorien (EFT) dannes stabile strukturer – som atomer eller parede elektroner – av oppkveilinger av energifilamenter. Ytterlaget deres er koblet til energihavet, mens det indre opprettholder egen takt. Når totalspinnet er et heltall, følger den kollektive bevegelsen bosonregler og fasene kan legge seg koherent. Ved tilstrekkelig nedkjøling oppstår tre nøkkelfenomener:

• Fase-låsing: å rulle ut et «strømmeteppe».
  Lavere temperatur svekker tensorpreget bakgrunnsstøy i energihavet, så færre forstyrrelser ødelegger faseforholdet. Naboobjekter justerer lettere fasen i ytterlaget og bygger et nettverk som spenner over hele prøven. I språkdrakten til Energifilamentteorien loddes mange lokale «mikroslag» sammen til ett sammenhengende fase-teppe. Når teppet ligger, faller energikostnaden for felles bevegelse bratt, og strømmen finner de glatteste korridorene i energihavet.
• Kanallukking: synkende viskositet.
  Vanlig viskositet skyldes at energi lekker ut til omgivelsene gjennom små folder og bølget kanaler. Når fase-teppet har dannet seg, undertrykkes slike tapkanaler av den kollektive orden: enhver forstyrrelse som ville bryte koherensen, skyves tilbake av teppet som helhet, eller hindres i å oppstå. Resultatet er nesten friksjonsfri strøm ved svak drivning. Øker skjær eller hastighet, blir det vanskelig å holde teppet helt, og nye dissipasjonsveier åpnes.
• Kvantiserte defekter: virveldannelse.
  Teppet kan ikke vris kontinuerlig gjennom vilkårlige vinkler. Under tilstrekkelig belastning «gir det etter» via topologiske defekter. Den typiske defekten er en kvantisert virvel: i sentrum finnes en «hul filamentkjerne» med lav motstand, mens fasen rundt vikles én, to, tre … hele ganger. Heltalligheten følger av kravet om lukket omløp, tilsvarende viklingstallene vi kjenner fra elektron og proton. Danning og utslukking av virvler blir hovedvei for energitap når superstrømmen drives hardt.
• Hvorfor to komponenter opptrer samtidig.
  Over det absolutte nullpunktet vil noen objekter ikke få låst fasen. De utveksler energi med omgivelsene som vanlige molekyler og danner normal komponent, mens superfluid komponent tilsvarer selve fase-teppet. Slik oppstår naturlig en to-væske-modell: én del bærer nesten tapsfri strøm, den andre frakter varme og viskositet. I tillegg, jo lavere temperaturen er, desto større areal dekker teppet, og desto større andel blir superfluid.

En begrepsavgrensning: Energifilamentteorien behandler målebosoner (for eksempel fotoner og gluoner) som bølgepakker som brer seg i energihavet, mens atomkondensasjon handler om kollektiv fase-låsing i ytterlaget til stabile oppkveilede legemer. Begge hører hjemme i bosonstatistikk, men «materialet» er forskjellig: de første er omslag av folder, de andre er stabile strukturer med en felles frihetsgrad i ytterlaget. Her sikter «kondensasjon» til sistnevnte.

III. Typiske scenarier: fra helium til kalde atomer

• Superfluidt helium.
  Helium-4 viser fonteneffekt, nesten friksjonsfri «veggklatring» og gitter av kvantiserte virvler under rotasjon. I Energifilamentteorien dekker fase-teppet hele væskevolumet; ved svak drivning åpnes ingen tapkanaler til energihavet før virvelveier blir tvunget frem.
• Kondensasjon i fortynnede kalde atomer.
  Skyer av alkalimetallatomer som kjøles og fanges i magneto-optiske feller kan kondensere; etter frislipp danner to uavhengige kondensater overlappende interferensstriper. I Energifilamentteorien møtes kantene av to tepper i fase; stripene er «mønstre av fasejustering», ikke spor etter kollisjoner mellom enkeltatomer.
• Ringfeller og vedvarende strømmer.
  I en ringkanal kan et kondensat etablere langlivede kretsstrømmer. Energifilamentteorien tolker dette som et lukket teppe med låst viklingstall; først når drivningen overskrider terskelen for virveldannelse, hopper systemet til neste heltallsnivå.
• Kritisk hastighet og hindringer.
  Dra en liten hindring – for eksempel en «lysskje» – gjennom kondensatet: ved lav hastighet oppstår ingen hale, ved høy hastighet kommer virvelgater og tapet øker. I Energifilamentteorien: ved svak drivning er kanalene stengt; sterk drivning river teppet lokalt, slipper ut kjeder av defekter og fører bort energi.
• Tynne filmer i to dimensjoner og virvelpar.
  I grensen av to dimensjoner (2D) bindes virvel og antivirvel i par. Ved en karakteristisk temperatur løsner parene og koherensen bryter sammen. Energifilamentteorien sier at teppet i to dimensjoner bare tåler defekter i par; når parene ryker, kollapser fasenettverket.

IV. Observerbare fingeravtrykk

• Interferens: to overlappende kondensater gir stabile striper; stripenes posisjon flytter seg med den globale faseforskjellen.
• Nær null viskositet ved svak drivning: trykkfall akkumuleres knapt; sammenhengen mellom trykk og gjennomstrømning er nesten tapsfri.
• Gitter av kvantiserte virvler: under rotasjon eller kraftig omrøring opptrer virvelkjerner i gitter; antallet er proporsjonalt med rotasjonsfrekvensen, og kjernestørrelsen har en karakteristisk skala.
• Terskelsprang: når en bestemt hastighet passeres, øker dissipasjon og varmeproduksjon brått.
• Transport med to komponenter: varme- og massestrøm kan frikoples; en andre-lyd-lignende modus som bærer entropi kan oppstå.

V. Ved siden av den kanoniske beskrivelsen

Den kanoniske tilnærmingen bruker en makroskopisk bølgefunksjon eller en ordensparameter til å beskrive teppet; strømningshastigheten bestemmes av fasegradienten. Ved svak drivning finnes ingen tilgjengelige eksitasjonsbærere som kan frakte energi bort, derfor forsvinner tap; den kritiske hastigheten styres av om virvler og fononer kan exciteres.

Energifilamentteorien lander på de samme observerbare fenomenene og lignende kvantitative trender, men rammer dem inn i et mer «materielt» bilde. Når den tensorpregede bakgrunnsstøyen i energihavet undertrykkes, låser stabile oppkveilede legemer ytterlagsfasen inn i et koherent nettverk. Svak drivning holder tapkanalene stengt; sterk drivning åpner nye kanaler utelukkende via kvantiserte defekter. Begge språk er enige om hva vi ser og hvordan det skalerer, men skiller lag i referanseramme: den kanoniske beskrivelsen vektlegger geometri og bølger, mens Energifilamentteorien vektlegger organiseringen av filamenter og hav.

VI. Oppsummert

Bose–Einstein-kondensasjon og superfluiditet skyldes ikke «mystisk kulde», men fase-låsing på tvers av skalaer som vever et sammenhengende teppe. Dette teppet leder væsken gjennom de glatteste korridorene i energihavet og holder dissipasjonskanaler stengt ved svak drivning. Når drivningen blir for sterk, gir teppet etter gjennom kvantiserte virvler – topologiske defekter som åpner ruter for energitap.

Én setning å huske: lås fasen og rull ut teppet – kanalene lukkes og superstrømmen oppstår; driv hardere, defekter trer fram – og dissipasjon tar over.