Superbendalir:Bendalir Kuantum Luar Biasa

Oleh: Anir Syazwan Sharbirin
Pelajar PhD Theoretical Physics
Pusat Penyelidikan Fotonik
Universiti Malaya

Apakah fasa‑fasa jirim yang anda ketahui? Mudah! Sudah semestinya, jirim mempunyai tiga fasa, iaitu pepejal, cecair dan gas. Tiga fasa ini kerap diajar dalam subjek sains sekolah, namun, perkara ini kurang tepat. Hakikatnya, jirim tidak terikat dengan tiga fasa, tetapi jirim mempunyai kepelbagaian fasa yang menakjubkan. Malahan, setiap fasa tersebut mempunyai keunikannya yang tersendiri. Antara fasa jirim yang amat menarik ialah superbendalir, juga dikenali sebagai bendalir‑lampau (superfluid).

Superbendalir, seperti namanya, mempunyai sifat‑sifat abnormal. Secara amnya, satu jirim itu dikategorikan sebagai bendalir‑super jika ia mempunyai kelikatan sifar. Kelikatan ialah satu sifat intrinsik bendalir; di mana wujudnya geseran dalaman yang menyebabkan aliran bendalir terhalang. Minyak ialah satu contoh bendalir dengan kelikatan tinggi. Minyak mengalir dengan lembab jika dibandingkan dengan bendalir lain seperti air, sebaliknya, bendalir‑super boleh mengalir secara bebas kerana ketiadaan geseran.

Superbendalir tidak terhasil secara semula jadi di Bumi. Proses untuk menghasilkan superbendalir melibatkan transformasi gas kepada cecair pada suhu rendah. Serendah manakah tahap suhu yang kita perlukan? Takat beku? 0C? Bukan. Suhu yang diperlukan untuk menghasilkan superbendalir menghampiri suhu sifat mutlak atau zero Kelvin iaitu -273.15 C. Suhu ini tidak boleh dicapai kerana ianya mustahil untuk kita membuang segala tenaga yang dimiliki oleh sesuatu jirim. Meskipun begitu, para saintis berkebolehan untuk menghampiri suhu tersebut melalui beberapa proses pra‑penyejukan dan pemampatan. Seorang saintis bernama Kamerlingh Onnes, berjaya menghasilkan suhu yang sangat rendah semasa beliau menjalankan eksperimen pencecairan (liquefaction) gas Helium-4, pada suhu −269 °C, 4.2 K. Suhu ini hampir 40 kali ganda lebih sejuk daripada Antartika! Walaubagaimanapun, suhu ini masih belum mencukupi untuk mencapai tahap superbendalir.

Oleh itu, Helium‑4 perlu disejukkan lagi sehingga mencapai suhu 2.17 K. Pada tahap ini, pelbagai perkara pelik yang mula timbul dan ini menandakan permulaan fasa bendalir‑super Helium‑4. Superbendalir mula dikaji oleh Pyotr Kapitsa (saintis Rusia), serta secara berasingan oleh saintis duo British John Allen dan Don Misener. Mereka berjaya mengukur kelikatan cecair‑Helium, dan telah mendapati nilai kelikatannya menghampiri sifar. Perkara ini sesuatu yang sangat menakjubkan. Katakan kita kacau cecair dalam satu bekas dan biarkan sebentar, secara logiknya, pusaran cecair dalam bekas tersebut akan terhenti dengan sendiri. Namun, superbendalir menentang kefahaman akal fikiran kita. Selaras dengan gelaran super‑, superbendalir akan terus berpusar selama‑lamanya kerana tidak wujud sebarang geseran. Malahan, jika kita putarkan satu objek dalam bendalir tersebut, objek tersebut akan kekalkan putarannya sehingga ke akhir hayat.

Tambahan lagi, proses perubahan cecair‑Helium kepada superbendalir juga sangat pelik. Semasa cecair‑Helium disejukkan, cecair tersebut akan mendidih dengan sangat agresif untuk membebaskan tenaga haba melalui buih gas. Namun, pada 2.17 K, cecair tersebut akan tiba‑tiba menjadi tenang dan tidak menunjukkan sebarang pergolakan mahupun yang halus. Pada tahap ini, setiap partikel dalam bendalir tersebut menjadi statik dan berada di aras tenaga paling rendah kerana suhu sejuk yang melampau. Maka, bendalir tersebut akan mula bertindak sebagai satu entiti dan bukan terpisah sebagai partikel individu yang kerap berlanggar. Para saintis amat teruja atas penemuan ini kerana bendalir tersebut sebenarnya telah menunjukkan sifat-sifat mekanik kuantum dalam skala besar. Bendalir tersebut tidak lagi menuruti hukum mekanik klasik dan segala perlakuannya seolah‑olah seperti bahan dalam cerita sains fiksyen.

Superbendalir boleh mengalir bebas. Kelikatan sifar superbendalir membolehkan ia untuk mengalir dan melepasi sebarang ruang atau halangan dengan mudah. Contohnya, jika kita menyimpan superbendalir dalam satu bikar kaca biasa, bendalir tersebut akan menembusi dinding bikar! Sebenarnya, bendalir tersebut mengalir keluar melalui liang‑liang kecil bikar yang biasanya boleh menahan cecair normal. Satu lagi sifat menarik superbendalir ialah film flow. Apabila sesuatu cecair bersentuhan dengan sebarang permukaan, sudah pasti cecair itu akan melekat dan menghasilkan lapisan‑nipis (film) pada permukaan tersebut – kesan daripada daya ikatan Van der Waal. Menariknya, superbendalir mempunyai kebolehan luar biasa untuk mengalir melalui lapisan yang terhasil dan bergerak mendaki permukaan tersebut seolah‑olah melawan daya graviti.

Sifat pergerakan superbendalir juga dipengaruhi oleh kebolehannya untuk mengalirkan haba dengan sempurna. Superbendalir juga sentiasa cuba untuk mengekalkan suhunya dan suhu persekitaran sekeliling. Ini menjelaskan mengapa proses mendidih terhenti pada fasa ini kerana suhu superbendalir sentiasa malar. Sehubungan itu, superbendalir mempunyai pergerakan yang unik dan sangat bergantungan kepada faktor haba. Jika bendalir ini diletakkan dalam bekas dan disambungkan kepada bekas lain yang mengandungi cecair bersuhu lebih tinggi, superbendalir tersebut akan bergerak dan mengalir ke arah kawasan bersuhu tinggi. Ini berlawanan dengan konsep termodinamik klasik di mana cecair sepatutnya mengalir mengikut arah panas ke sejuk. Kebolehan ini dinamakan sebagai aliran‑super (superflow) dan ia turut ditunjukkan dalam satu eksperimen menarik oleh Allen dan Jones yang dinamakan sebagai fountain effect. Eksperimen ini menunjukkan jika satu kapilari diletakkan dalam bikar dipenuhi superbendalir, kemudian dipanaskan (walaupun dengan pancaran cahaya), bendalir tersebut dengan sendirinya akan bergerak dan mendaki naik dinding kapilari dan terpancur keluar dengan kuat seolah‑olah wujud

satu daya yang menolaknya.

Terdapat banyak lagi ciri-ciri unik superbendalir dan ianya masih dikaji dengan mendalam oleh para penyelidik. Kesan superbendalir tidak mempunyai aplikasi secara terus tetapi ia banyak digunakan sebagai bahan penyejuk dalam mesin-mesin spektroskopi yang menggunakan magnet berkuasa tinggi. Walaubagaimanapun, superbendalir merupakan satu penemuan berskala besar terutamanya dalam fizik kuantum kerana ianya adalah jalan untuk kita memahami dunia kuantum mekanik. Kefahaman terhadap mekanik kuantum membantu kita untuk mengkaji dan membina laser, transistor dan superkonduktor yang lebih baik, di samping, membantu kita memahami hukum‑hukum asas alam. Meskipun bendalir‑super merupakan satu fasa jirim yang jarang dikenali, tetapi, ia adalah satu bintang dalam kalangan saintis kerana ianya merupakan penyuluh kepada dunia misteri mekanik kuantum.