6.10 Kondensasi Bose–Einstein dan superbendaliran

Laman Utama ／ Bab 6: Alam Kuantum

I. Fenomena dan persoalan

Apabila sekumpulan objek yang mematuhi statistik boson disejukkan ke suhu yang amat rendah, ia berhenti bertindak secara berasingan dan beramai-ramai menduduki satu keadaan kuantum yang sama. Seluruh sistem berayun seiring, seolah-olah terbentang permaidani fasa yang kemas. Tanda eksperimen yang lazim termasuk: dua awan atom sejuk yang disediakan secara bebas, apabila dilepaskan serentak, menghasilkan jalur interferens yang stabil; dalam bekas berbentuk gelang, bendalir boleh mengalir lama tanpa rintangan ketara; apabila diganggu perlahan hampir tiada kelikatan, namun melepasi ambang tertentu muncul pusaran terkuantum secara mendadak. Inilah rupa klasik kondensasi Bose–Einstein dan superbendaliran.

Persoalannya: mengapa bendalir boleh meluncur hampir tanpa geseran apabila cukup sejuk; mengapa halaju aliran tidak berterusan tetapi muncul bertangga secara terkuantum; dan mengapa dalam bahan yang sama seolah-olah wujud serentak komponen biasa dan komponen superbendalir?

II. Teori Filamen Tenaga (EFT): penguncian fasa, penutupan saluran, dan kecacatan terkuantum

Dalam Teori Filamen Tenaga (EFT), struktur stabil seperti atom atau pasangan elektron terbentuk daripada lilitan filamen tenaga. Lapisan luarnya terganding dengan laut tenaga, manakala bahagian dalam mengekalkan detik sendiri. Apabila jumlah putaran (spin)nya ialah integer, gerak kolektif mematuhi ragam boson dan fasa dapat ditumpuk secara koheren. Penyejukan yang mencukupi mencetuskan tiga kesan teras:

• Penguncian fasa: membentang “permaidani aliran”.
  Suhu yang lebih rendah melemahkan hingar latar berwatak tenser dalam laut tenaga, lalu kurang gangguan yang merosakkan fasa. Objek berjiran mudah menyelaras fasa lapisan luar dan membina rangkaian fasa yang merentasi sampel. Dalam bahasa Teori Filamen Tenaga, banyak “detik mikro” setempat dipateri menjadi permaidani fasa yang berterusan. Setelah terbentang, kos tenaga untuk gerak kolektif merosot mendadak dan aliran mencari koridor paling licin dalam laut tenaga.
• Penutupan saluran: kelikatan mengecil.
  Kelikatan biasa terhasil apabila tenaga bocor ke persekitaran melalui kedut halus dan saluran riak. Setelah permaidani fasa terbentuk, saluran kehilangan ini ditindih oleh tertib kolektif: gangguan yang cuba memutus koheren ditolak kembali oleh permaidani seluruhnya, atau langsung dihalang. Hasilnya, pada pemacuan kecil aliran hampir tanpa geseran. Jika ricih atau halaju ditingkatkan, permaidani sukar kekal utuh dan terpaksa membuka cara pelesapan baharu.
• Kecacatan terkuantum: kemunculan pusaran.
  Permaidani tidak boleh berpintal sewenang-wenangnya melalui semua sudut. Apabila dipaksa cukup kuat, ia “beralah” melalui kecacatan topologi. Kecacatan tipikal ialah pusaran terkuantum: terasnya ibarat “teras filamen berongga rintangan rendah”, manakala fasa di sekeliling berpusing satu, dua, tiga … pusingan integer. Keutuhan integer lahir daripada keperluan penutupan gelung, seumpama kiraan lilitan yang dibincang untuk elektron dan proton. Penciptaan dan pemusnahan pusaran menjadi laluan utama pelesapan apabila superbendaliran dipacu kuat.
• Asal usul dua komponen yang wujud bersama.
  Pada suhu di atas sifar mutlak, masih ada sebahagian objek gagal mengunci fasa. Ia bertukar tenaga dengan persekitaran seperti molekul biasa dan membentuk komponen biasa, manakala komponen superbendalir ialah permaidani fasa itu sendiri. Maka terbit secara semula jadi model dua bendalir: satu bahagian membawa aliran hampir tanpa rugi, bahagian lain membawa haba dan kelikatan. Suhu yang lebih rendah meluaskan liputan permaidani dan menaikkan bahagian superbendalir.

Sempadan konsep: Teori Filamen Tenaga menanggapi boson tolok (contohnya foton, gluon) sebagai paket gelombang yang merambat dalam laut tenaga, sedangkan kondensasi atom melibatkan penguncian fasa lapisan luar bagi badan berlingkar stabil. Kedua-duanya mematuhi “statistik boson”, tetapi “bahan”nya berbeza: yang pertama ialah selaput kedut, yang kedua ialah struktur stabil dengan darjah kebebasan lapisan luar yang dikongsi. Perbincangan tentang kondensasi di sini merujuk kepada golongan kedua.

III. Senario lazim: daripada helium ke atom sejuk

• Helium superbendalir.
  Helium-4 mempamerkan kesan pancutan, memanjat dinding hampir tanpa geseran, dan jejaring pusaran terkuantum ketika diputar. Pada kaca mata Teori Filamen Tenaga, permaidani fasa meliputi keseluruhan cecair; di bawah pemacuan perlahan, ia tidak membuka saluran kehilangan ke laut tenaga sehinggalah laluan pusaran terpaksa diaktifkan.
• Kondensasi atom sejuk berketumpatan jarang.
  Awan atom alkali yang disejuk dan dipenjara dalam perangkap magneto-optik boleh terkondensasi; apabila dilepaskan, dua kondensat bebas bertindih lalu menghasilkan jalur interferens. Dalam tafsiran Teori Filamen Tenaga, pinggir dua permaidani disejajarkan; jalur itu ialah “corak pelarasan fasa”, bukannya jejak perlanggaran atom individu.
• Perangkap gelang dan arus berkekalan.
  Kondensat dalam saluran berbentuk gelang mewujudkan arus gelang yang panjang umur. Teori Filamen Tenaga menafsirkannya sebagai permaidani tertutup dengan bilangan lilitan yang terkunci; hanya apabila pemacuan melepasi ambang pembentukan pusaran, sistem melompat ke aras integer seterusnya.
• Halaju ambang dan halangan.
  Mengheret halangan kecil—umpamanya “sudu cahaya”—merentasi kondensat: pada halaju rendah tiada jejak ekor, pada halaju tinggi muncul lorong pusaran dan pelesapan meningkat. Pandangan Teori Filamen Tenaga: ketika pemacuan kecil saluran kekal tertutup; pemacuan kuat memecahkan permaidani secara setempat, memuntahkan rangkai kecacatan dan melesapkan tenaga.
• Filem dua dimensi dan pasangan pusaran.
  Dalam had dua dimensi, pusaran dan antipusaran terikat berpasangan. Pada suhu tertentu, pasangan terurai dan koheren runtuh. Teori Filamen Tenaga menilai bahawa dalam 2D permaidani hanya menerima kecacatan berpasangan; apabila pasangan bercerai, rangkaian fasa runtuh.

IV. Cap pemerhatian

• Interferens: dua kondensat bertindih menghasilkan jalur stabil; kedudukan jalur beralih mengikut beza fasa global.
• Aliran hampir tanpa kelikatan pada pemacuan kecil: jatuh tekanan sukar terkumpul; hubungan tekanan-aliran hampir tiada rugi.
• Jejaring pusaran terkuantum: ketika diputar atau diganggu kuat, teras pusaran tersusun; bilangannya berkadar dengan kadar putaran, saiz teras mempunyai skala ciri.
• Lonjakan ambang: apabila halaju melepasi nilai tertentu, pelesapan dan pembentukan haba meningkat mendadak.
• Pengangkutan dua komponen: aliran haba dan jisim boleh terurai; wujud mod mirip “bunyi kedua” yang membawa entropi.

V. Perbandingan dengan huraian arus perdana

Huraian arus perdana menggunakan fungsi gelombang makroskopik atau parameter tertib untuk mewakili permaidani, dengan halaju aliran ditentukan oleh kecerunan fasa. Pada pemacuan rendah tiada eksitasi yang mampu membawa tenaga keluar, maka pelesapan hilang; halaju ambang ditentukan oleh kebolehan menjana pusaran dan fonon.

Teori Filamen Tenaga tiba pada pemerhatian dan tren kuantitatif yang sama, namun membingkainya dalam gambaran yang lebih “berbahan”. Setelah hingar latar berwatak tenser dalam laut tenaga diturunkan, badan berlingkar stabil mengunci fasa lapisan luar menjadi rangkaian koheren. Pemacuan kecil mengekalkan saluran kehilangan tertutup; pemacuan kuat hanya membuka saluran baharu melalui kecacatan terkuantum. Kedua-dua bahasa sependapat tentang apa yang terlihat dan cara skala berhubung, tetapi berbeza rujukan: arus perdana menekankan geometri dan gelombang, manakala Teori Filamen Tenaga menekankan organisasi filamen dan laut.

VI. Ringkasnya

Kondensasi Bose–Einstein dan superbendaliran bukanlah “kesejukan misteri”, tetapi penguncian fasa merentas skala yang menenun permaidani berterusan. Permaidani ini membimbing bendalir menyusur koridor paling licin dalam laut tenaga, mengekalkan saluran pelesapan tertutup pada pemacuan kecil. Apabila pemacuan terlalu kuat, permaidani beralah melalui pusaran terkuantum—kecacatan topologi yang membuka laluan kehilangan tenaga.

Satu baris ingatan: kunci fasa, bentang permaidani; saluran tertutup—lahir superbendaliran; tolak lebih kuat, kecacatan timbul—pelesapan pun bermula.