सुपरफ्लूइड्स पदार्थ की एक विचित्र अवस्था है जिसमें आश्चर्यजनक गुण होते हैं। जब कुछ सामग्रियों को निरपेक्ष शून्य के निकट अत्यंत निम्न तापमान पर ठंडा किया जाता है, तो उनके परमाणु एक क्वांटम अवस्था में प्रवेश करते हैं जहां वे बिना किसी घर्षण या श्यानता के प्रवाहित हो सकते हैं। इससे सुपरफ्लूइड्स किसी भी अन्य ज्ञात पदार्थ की तुलना में असामान्य व्यवहार प्रदर्शित करते हैं।

ऐसी ही एक असाधारण संपत्ति जिसकी 75 वर्ष पहले भविष्यवाणी की गई थी लेकिन कभी सीधे तौर पर देखी नहीं गई, वह है दूसरी ध्वनि – गर्मी का एक सुपरफ्लूइड के माध्यम से तापमान तरंग के रूप में प्रसार। एमआईटी के भौतिकविदों की एक टीम ने अब अल्ट्राकोल्ड लिथियम गैसों का उपयोग करते हुए दूसरी ध्वनि को क्रिया में दिखाने वाली पहली छवियां कैप्चर की हैं।

सामान्य सामग्रियों में गर्मी का संचालन विसरण के माध्यम से होता है, जहां गर्म क्षेत्र फैलते हैं और ठंडे क्षेत्रों में विलीन हो जाते हैं। लेकिन सुपरफ्लूइड्स और कुछ अन्य विचित्र सामग्रियों में, गर्मी बिना किसी प्रतिरोध के आगे-पीछे दोलन कर सकती है। इस विचित्र व्यवहार का सिद्धांत 1940 के दशक में दूसरी ध्वनि के रूप में प्रकट होने का था, जो गर्मी ऊर्जा का तरंग-रूपी स्थानांतरण है।

“यह ऐसा है जैसे आपके पास पानी का एक टैंक हो और आपने एक आधे को लगभग उबलते हुए बना दिया,” एमआईटी के सहायक प्रोफेसर रिचर्ड फ्लेचर ने समझाया। “यदि आप तब देखते हैं, तो पानी स्वयं पूरी तरह से शांत दिख सकता है, लेकिन अचानक दूसरी तरफ गर्म होता है, और फिर दूसरी तरफ गर्म होता है, और गर्मी आगे-पीछे जाती है जबकि पानी पूरी तरह से स्थिर दिखता है।”

दूसरी ध्वनि तरंगों को सीधे देखना असाधारण रूप से चुनौतीपूर्ण साबित हुआ है। सुपरफ्लूइड्स इन्फ्रारेड विकिरण प्रदर्शित नहीं करते हैं जो गर्मी प्रवाह को ट्रैक कर सकते हैं। एमआईटी टीम ने इस समस्या को लिथियम-6 फर्मियों का उपयोग करके हल किया जो उनके तापमान के आधार पर विभिन्न आवृत्तियों पर प्रतिध्वनित होते हैं। इससे उन्हें दोलन करते हुए फर्मियों को दृश्यमान करने की अनुमति मिली, जिससे दूसरी ध्वनि के लक्षण के अनुरूप गर्मी का तरंग-रूपी प्रसार प्रकट हुआ।

“पहली बार, हम इस पदार्थ की तस्वीरें ले सकते हैं जैसे हम इसे सुपरफ्लूइडिटी के महत्वपूर्ण तापमान के माध्यम से ठंडा करते हैं,” प्रोफेसर मार्टिन ज़्वियरलीन ने कहा, “और सीधे देख सकते हैं कि यह कैसे एक सामान्य द्रव से संक्रमण करता है जहां गर्मी उबाऊ रूप से संतुलित होती है एक सुपरफ्लूइड में जहां गर्मी आगे-पीछे झूलती है।”

सुपरफ्लूइड्स की अजीब दुनिया

सुपरफ्लूइडिटी की खोज सबसे पहले 1937 में प्योत्र कपित्सा और जॉन एलन ने की थी, जिन्होंने पाया कि तरल हीलियम-4 2.17 K (-270.98°C) से नीचे होने पर अचानक सभी श्यानता खो देता है, जिससे यह बिना प्रतिरोध के प्रवाहित हो सकता है ^[1]। इससे ऐसी अद्भुत घटनाएं होती हैं जैसे कि हीलियम दीवारों पर चढ़ना और कंटेनरों से बाहर टपकना।

सुपरफ्लूइडिटी की कुंजी क्वांटम प्रभावों में निहित है। पर्याप्त रूप से निम्न तापमान पर, हीलियम परमाणुओं की गतियां सहसंबद्ध हो जाती हैं और वे एक एकल क्वांटम अवस्था में संघनित हो जाते हैं। इससे वे बिना किसी घर्षण के प्रवाहित हो सकते हैं क्योंकि कोई व्यक्तिगत कण एक दूसरे से टकराते नहीं हैं।

श्यानता की कमी के अलावा, सुपरफ्लूइड्स अन्य विचित्र व्यवहार भी प्रदर्शित करते हैं। उनका शून्य एंट्रोपी, अनंत तापीय चालकता, और क्वांटाइज्ड भंवर होते हैं। सुपरफ्लूइड हीलियम भी “दीवारों पर चढ़” सकता है, रोलिन फिल्म के प्रभावों के माध्यम से गुरुत्वाकर्षण को धता बताते हुए जहां द्रव एक सतह के साथ लंबवत चढ़ता है ^[2]।

सुपरफ्लूइडिटी को समझना संघनित पदार्थ भौतिकी और यहां तक कि खगोल विज्ञान के क्षेत्रों के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण साबित हुआ है। न्यूट्रॉन तारों के अंदर सुपरफ्लूइड न्यूट्रॉन और सुपरकंडक्टिंग प्रोटॉन होने की उम्मीद है, जो पल्सरों में गड़बड़ियों जैसी घटनाओं को समझा सकते हैं ^[3]।

दूसरी ध्वनि – गर्मी संचालन का एक नया रूप

सामान्य सामग्रियों में, गर्मी संचालन विसरण द्वारा होता है। गर्म क्षेत्र आसन्न ठंडे क्षेत्रों को कण टकराव और कंपन के माध्यम से गतिज ऊर्जा पास करते हैं जब तक कि तापीय संतुलन प्राप्त नहीं हो जाता। लेकिन सुपरफ्लूइड्स और कुछ अन्य विचित्र माध्यमों में, गर्मी दूसरी ध्वनि कहलाने वाली एक तापमान तरंग के रूप में प्रसारित हो सकती है।

दूसरी ध्वनि की पहली बार भविष्यवाणी 1944 में लेव लैंडाऊ ने की थी, जिन्होंने सिद्धांत दिया था कि सुपरफ्लूइड्स में शून्य श्यानता होने के कारण, गर्मी विसरण रूप से नहीं फैलेगी बल्कि एक तरंग के रूप में दोलन करेगी ^[4]। इससे तापमान स्थानीय रूप से उतार-चढ़ा