المائع الكمومي

يشير مصطلح " السائل الكمومي" إلى أي نظام يُظهر تأثيرات ميكانيكية كمومية على المستوى العياني مثل الموائع الفائقة ، والموصلات الفائقة ، والذرات فائقة البرودة ، وما إلى ذلك. وعادةً ما تنشأ السوائل الكمومية في الحالات التي تكون فيها كل من التأثيرات الميكانيكية الكمومية والتأثيرات الإحصائية الكمومية ذات أهمية.

تكون معظم المواد إما صلبة أو غازية (عند الكثافات المنخفضة) بالقرب من الصفر المطلق . ومع ذلك، بالنسبة للهيليوم -4 ونظيره الهيليوم-3 ، يوجد نطاق ضغط يمكنهما فيه البقاء سائلين حتى الصفر المطلق لأن طول موجة التقلبات الكمومية التي تتعرض لها ذرات الهيليوم أكبر من المسافات بين الذرات.

في حالة الموائع الكمومية الصلبة، لا يتصرف سوى جزء ضئيل من إلكتروناتها أو بروتوناتها كـ"مائع". ومن الأمثلة البارزة على ذلك ظاهرة الموصلية الفائقة، حيث تعمل الجسيمات شبه الحقيقية المكونة من أزواج من الإلكترونات وفونون كبوزونات، والتي بدورها قادرة على الانهيار إلى الحالة الأرضية لتكوين تيار فائق ذي مقاومة تقترب من الصفر.

تصبح التأثيرات الكمومية ذات أهمية بالغة في الفيزياء ضمن نطاق طول موجة دي برولي . بالنسبة للمادة المكثفة، يحدث هذا عندما يكون طول موجة دي برولي للجسيم أكبر من المسافة بين الجسيمات في الشبكة المكونة للمادة. طول موجة دي برولي المرتبط بجسيم ذي كتلة هو

${\displaystyle \lambda ={\frac {h}{p}}}$

حيث h هو ثابت بلانك. ويمكن إيجاد الزخم من النظرية الحركية للغازات ، حيث

${\displaystyle p=mv_{p}=m{\sqrt {2{\frac {k_{B}T}{m}}}}={\sqrt {2mk_{B}T}}}$

هنا، يمكن إيجاد درجة الحرارة على النحو التالي

${\displaystyle k_{B}T={\frac {p^{2}}{2m}}}$

بالطبع، يمكننا استبدال الزخم هنا بالزخم المستمد من طول موجة دي برولي على النحو التالي:

${\displaystyle k_{B}T={\frac {h^{2}}{2m\lambda ^{2}}}}$

وبالتالي، يمكننا القول إن الموائع الكمومية ستظهر في نطاقات درجات حرارة تقريبية حيث${\displaystyle \lambda >d}$حيث يمثل d المسافة بين الشبكات (أو المسافة بين الجسيمات). رياضياً، يُصاغ هذا على النحو التالي:

${\displaystyle k_{B}T={\frac {h^{2}}{2m\lambda ^{2}}}<{\frac {h^{2}}{2md^{2}}}}$

من السهل أن نرى كيف يرتبط التعريف أعلاه بكثافة الجسيمات، n. يمكننا كتابة

${\displaystyle k_{B}T<{\frac {h^{2}}{2m}}n^{\frac {2}{3}}}$

مثل${\displaystyle n={\frac {1}{d^{3}}}}$لشبكة ثلاثية الأبعاد

الحد الأقصى لدرجة الحرارة المذكور أعلاه${\displaystyle T}$يختلف معنى هذا المصطلح باختلاف الإحصاءات الكمومية التي يتبعها كل نظام، ولكنه يشير عمومًا إلى النقطة التي يُظهر عندها النظام خصائص المائع الكمومي. بالنسبة لنظام من الفرميونات ،${\displaystyle T}$هو تقدير لطاقة فيرمي للنظام، حيث تحدث العمليات المهمة لظواهر مثل الموصلية الفائقة. بالنسبة للبوزونات ،${\displaystyle T}$يقدم تقديرًا لدرجة حرارة تكثيف بوز-أينشتاين.

• مكثف بوز-أينشتاين
• الموصلية الفائقة
• الميوعة الفائقة
• السائل الكلاسيكي
• الهيليوم السائل
• سائل فيرمي
• سائل لوتينجر
• سائل الدوران الكمومي
• الظواهر الكمومية العيانية
• الترتيب الطوبولوجي

1. ليرنر، ريتا ج.؛ تريج، جورج ل. (1990). موسوعة الفيزياء . دار نشر VHC. رقم ISBN 0-89573-752-3.