Sóng kết tinh

16

Sóng kết tinh

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
A. Y. PARSHIN

Có thể kích thích sóng trên bề mặt vật rắn giống như sóng thông thường trên mặt nước không? Bề mặt của chất lỏng, như chúng ta biết, có thể trộn lẫn và trải qua những rung động đơn giản do dòng chảy. Trong một vật thể rắn, quá trình như vậy là không thể (thậm chí cả chất rắn!). Tuy nhiên, hóa ra là có thể làm cho bề mặt của một vật thể rắn, chẳng hạn như tinh thể, chuyển động, trong khi khiến vật thể đó đứng yên. Để làm được điều này, chỉ cần tinh thể phát triển hoặc nổi là đủ - trong trường hợp này, bề mặt của nó liên tục bị trộn lẫn, mặc dù bản thân chất trong thể tích của tinh thể vẫn hoàn toàn bất động.

Nhưng bạn có biết rằng bằng cách này có thể kích thích các dao động tự do trên bề mặt tinh thể gây ra bởi sự thay đổi định kỳ của các quá trình nóng chảy và kết tinh? Ví dụ, hãy tưởng tượng bề mặt phẳng của một tinh thể băng ở trạng thái cân bằng với nước ở 0°C. Điều gì xảy ra nếu bạn phá vỡ trạng thái cân bằng ở một nơi nào đó bằng cách tạo một lỗ (hoặc phần nhô ra) trên bề mặt? Liệu sóng kết tinh (tan chảy) có phát sinh trong trường hợp này giống như sóng hình thành khi một hòn đá rơi xuống nước?

Hóa ra - không, điều này là không thể đối với các chất thông thường. Thực tế là các sóng mà chúng ta quan tâm, giống như mọi dao động tự do nói chung, chỉ có thể tồn tại trong những điều kiện mà tổn thất năng lượng không thể đảo ngược đủ nhỏ. Những tổn thất này làm cho dao động bị giảm đi và năng lượng dao động biến thành nhiệt. Nếu tổn thất cao, chuyển động sẽ trở nên không tuần hoàn, nghĩa là dao động hoàn toàn không xảy ra. Sự phát triển và trôi nổi của các tinh thể thông thường luôn đi kèm với sự tổn thất năng lượng rất lớn (chủ yếu do nhiệt dung riêng cao của phản ứng tổng hợp). Do đó, trong thí nghiệm tưởng tượng của chúng tôi cùng với các sóng kết tinh, chúng tôi sẽ chỉ quan sát thấy lỗ trống ban đầu phát triển quá mức rất chậm.

Thế nhưng sóng kết tinh vẫn tồn tại! Đúng vậy, chúng chỉ có thể được quan sát thấy ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối (dưới 1 K) và chỉ ở helium, một chất hoàn toàn độc đáo về tính chất vật lý của nó. Những tính chất này là một chủ đề cần được thảo luận rất cẩn thận, nhưng ở đây chúng ta sẽ chỉ đề cập đến hai trong số chúng có liên quan trực tiếp nhất đến câu hỏi về sóng kết tinh.

Thứ nhất, helium là chất duy nhất có thể tồn tại ở trạng thái lỏng xuống độ không tuyệt đối và chỉ kết tinh ở áp suất cao (trên 25 atm). Thứ hai, sự tăng trưởng và trôi nổi của tinh thể

Đánh bắt gelae ở nhiệt độ rất thấp đi kèm với tổn thất năng lượng thấp và nhiệt độ càng thấp thì tổn thất càng nhỏ. Do đó, các tinh thể gel có thể phát triển và tan chảy ở mức tuyệt vời, theo tiêu chuẩn chung, tốc độ và điều rất quan trọng là ngay cả dưới những tác động cực kỳ yếu từ bên ngoài. Và đây là điều kiện chính cần thiết cho sự tồn tại của sóng kết tinh.

Nhìn vào tinh thể gel hiển thị trong ảnh. Một tinh thể có kích thước khoảng 3 mm, phát triển ở nhiệt độ 0,5 K, treo trên tường của buồng thí nghiệm, “nhắm” vào nó bằng mặt trái của nó. Trên tất cả các mặt khác, nó được bao quanh bởi gel lỏng dưới áp suất 25 atm. Sóng kết tinh thú vị trên cột tinh thể như vậy cũng đơn giản như sóng thú vị trong cốc nước—tất cả những gì bạn cần làm là lắc máy ảnh một chút. Đây chính xác là khoảnh khắc được ghi lại trong bức ảnh.

Điều đáng tò mò là không phải tất cả các bề mặt tinh thể đều có khả năng kết tinh cực nhanh. Các bộ phận được định nghĩa là được định hướng tương đối so với các trục tinh thể học (ba “đặc điểm” định hướng như vậy hiện đã được biết đến) trông giống như các mặt phẳng lý tưởng và các đường tĩnh mạch hoàn toàn bất động, nghĩa là chúng hoạt động giống như bề mặt của một tinh thể thông thường có một mặt tự nhiên. Nhân tiện, sự hiện diện của những cạnh “đặc biệt” này cho thấy rõ ràng rằng chúng ta đang thực sự xử lý một tinh thể và một tinh thể chất lượng cao ở đó. Tất cả các khu vực khác của bề mặt đều kriglen và rung nhanh khi có tác động nhỏ nhất từ ​​bên ngoài (trong trường hợp này, chu kỳ dao động là khoảng 0,01 s và biên độ của chúng là ~ 0,1 mm).