اندازه‌گیری ظرفیت گرمایی هلیم-3 دو بعدی که جذب گرافیت شده است، شواهد دیگری مبنی بر وجود حالت مایع غیر منتظره‌ای نزدیک دمای صفر مطلق نشان می‌دهد.

هلیم همواره یک جزء بیگانه از دیگر عناصر جدول تناوبی بوده است. دو ایزوتوپ به نام‌های هلیم-3 و هلیم-4 دارد، تا نزدیک دمای صفر مطلق مایع باقی می‌ماند و پایین‌ترین دمای گداز را در میان گازها داراست. این ویژگی‌ها را می‌توان تا بالای انرژی نقطه صفر نسبت به پتانسیل جاذب آن‌ پیش‌بینی کرد. در دو بعد، هلیم-4 در دماهایی که به چگالی بستگی دارد، مایع شده و به یک ابر‌شاره تبدیل می‌شود. بر خلاف این، حالت هلیم-3 در دو بعد نامشخص است. نظریه‌های بسیاری پیش‌بینی می‌کند که هلیم-3 تنها ماده‌ای است که در دوبعد به صورت گازی در حالت پایه باقی می‌ماند. با این وجود دیدگاه دیگری نیز هست که بیان می‌کند به احتمال زیاد ممکن است برای هلیم-3 در حالت دو بعدی، فاز مایعی وجود داشته باشد [1] . به نظر می‌رسد بعضی از اندازه‌گیری‌ها  این دیدگاه را تقویت کرده‌اند [2] . آزمایش‌های جدیدی که گرمای ویژه هلیم-3 را که جذب سطح گرافیت شده است بررسی می‌کنند، شواهد دیگری مبنی بر وجود گودال‌های کوچک مایعی برای هلیم-3 در دمای زیر حدود 80 mK ارائه می‌کند [3] . دایسوک ساتو و همکارانش از دانشگاه توکیوی ژاپن می‌گویند این ممکن است کم‌چگال‌ترین مایع موجود در طبیعت باشد. گزارش آن‌ها در مجله Physical Review Letters منتشر شده است. درک ماهیت این انتقال منجر به درک بهتر فعل و انفعالاتی می‌شود که باعث تشکیل این فاز مایع شده‌اند.

در دو بعد، هلیم-3 به طور آزمایشگاهی قابل تشخیص نیست مگر درصورت وجود یک زبرلایه‌ی مناسب که اتم‌ها را جذب می‌کند. در حالت ایده‌آل این زیرلایه اجازه می‌دهد که هلیم-3 در دو بعد به طور آزادانه از طریق گسترش در امتداد سطح به عنوان یک گاز و یا با جمع شدن به صورت یک مایعِ خود‌-مقید حرکت کند. همواره این زیرلایه نقش مهمی در رفتار هلیم-3 ایفا می‌کند. برای مثال یک زیرلایه‌ی بلورین می‌تواند موجب شود هلیم-3 به صورت یک جامد دو بعدی و یا فازهای مشخص دیگری تشکیل شود.

به همین دلیل آزمایش‌هایی روی هلیم-3 دو بعدی انجام گرفته است که در آن سطح آزاد هلیم-4 مایعِ حجمی، نقش زیرلایه را ایفا می‌کند (شکل-قسمتa ). ممکن است این سطح هلیم-4 به عنوان یک زیرلایه ایده‌آل در نظر گرفته شود- یک ابر‌شاره که در دماهای پایین بسیار نزدیک به حالت پایه خود قرار دارد و هیچ ساختار بلوری زیرینی که ممکن است بر رفتار هلیم-3 اثر گذارد، ایجاد نمی‌کند. مطالعات انجام شده در دهه 1970 روی هلیم-3 و هلیم-4، هیچ نشانه‌ای مبنی بر تشکیل مایع در اندازه‌گیری‌های کشش سطحی و صدای سطحی (موج چگالی دو بعدی در هلیم-3) با چگالی‌های سطحی 0.97 #/nm² و 1.4 #/nm² به دست نداد [4]. داده‌ها بر حسب هلیم-3 تحلیل می‌شوند که به صورت یک گاز دو بعدی با جرم مؤثر 1.3 برابر جرم مطلق و انرژی بستگی سطحی 2.3 kJ نسبت به انحلال در هلیم-4 زیرین عمل می‌کند. علاوه بر این جرم مؤثر، سایر تاثیرات زیرلایه‌ی هلیم-4 شامل برهم‌کنش‌های بین اتم‌های هلیم-3  می‌شود که به واسطه برانگیخته‌گی‌های بومی سطح هلیم-4 صورت می‌گیرد، که ریپلون نامیده می‌شوند.

این تصاویر هلیم-3  (رنگ زرد)جذب شده بر زیرلایه‌های متفاوت را نشان می‌دهد. a: روی سطح هلیم-4 حجمی (رنگ آبی) است. b: روی سطح گرافیت است (رنگ خاکستری). c: روی لایه جامدی از هلیم-4 بالای یک سطح گرافیتی. شواهد تجربی تازه‌ای با گرافیت و هلیم-4 روی سطح گرافیت، تشکیل یک فاز مایع دو بعدی را در هلیم-3 جذب شده نزدیک دمای صفر مطلق نشان می‌دهد (تصویر d).

در روشی دیگر، از غشاهای چند لایه هلیم-4 مایع روی بستری جامد، به‌جای سطح توده، استفاده می‌شود. این بعضی تاثیرات حجمی را کاهش می‌دهد اما هم‌چنین متغیرهای جدیدی به مسئله اضافه می‌کند. مخصوصاً چگالی هلیم-4 که روی یک زیرلایه جذب می‌شود، به آرامی با پوشش تغییر نمی‌کند بلکه دارای نوساناتی در چگالی است [5]، هم‌چنین تغییراتی با پوشش در برانگخته‌گی‌‌های عادی از غشاء هلیم-4 وجود دارد. بنابراین هلیم-3 روی چنین غشایی، در محیطی قرار گرفته است که به شدت به ضخامت هلیم-4 زیرین بستگی دارد. وجود یک حالت سطحی دو بعدی برای هلیم-3 روی غشا‌ها و تغییر در طیف حالت‌های برانگیخته با ضخامت هلیم-4 در مرجع [6] نشان داده شده است. اندازه‌گیری‌های بعدی  گرمای ویژه هلیم-3 روی غشا‌های نازک‌تر هلیم-4 ( که توسط من و همکارم بیدوت باتاچاریا انجام شده است) گذاری را نشان می‌دهد که به عنوان تشکیل فاز مایع-‌مانند چگال‌تری تفسیر شده است [2]. این گذار نزدیک دمای 100 mK برای هلیم-3 با چگالی تقریباً یک ذره در هر نانو‌متر مربع اتفاق می‌افتد. آزمایش‌های بعدی [7] وجود هلیم-3 مایع را نتوانست تایید کند اما هم‌چنین آن‌ها برطبق رفتار مورد انتظار برای یک گاز فرمی دو بعدی قابل تحلیل نبودند. تقویت فرضیه احتمالی چگالش از اندازه‌گیری‌های مستقل کسر ابر‌شاره در غشا‌های ³He-⁴He ناشی می‌شود [8].

برای پرداختن دوباره به این مسائل ساتو و همکارانش [3] اندازه‌گیری‌های گرمای ویژه را دوباره با یک زیرلایه‌ی جدید انجام دادند. آن‌ها این‌کار را با جذب هلیم-3 روی سطح گرافیت شروع کردند (قسمت b شکل). گرافیت سطح یکنواخت‌تری نسبت به زیرلایه‌های بکار رفته قبلی دارد. این مهم است، زیرا غیر‌یکنواختی سطح می‌تواند روی رفتار هلیم-3 دو بعدی با به وجود آوردن نقاط تله‌ برای آن اثر بگذارد. آن‌ها ظرفیت گرمایی را در دماها و چگالی‌های مختلفی با روش گرماسنجی بی‌در‌رو  اندازه‌گیری کردند. در این روش نمونه از نظر حرارتی با استفاده از یک سوئیچ گرمایی ابر‌رسانا عایق شده است. این روش تا درجه حرارت حدود 80 mK مؤثر است. برای تعیین اینکه آیا فاز مایعی وجود دارد یا نه، آن‌ها چگونگی تغییر ظرفیت گرمایی با دما را اندازه‌گیری کردند. ظرفیت گرمایی یک مایع یا گاز فرمی تبهگن دو بعدی ایده‌آل روی سطحی به مساحت A با معادله C_A=(πk_B²Am/3 ħ²)T داده می‌شود. این معادله از تعداد اتم‌ها مستقل است. اما C_A با سطح A متناسب است. در اندازه‌گیری به روش گرماسنجی، سطح هندسی A ثابت باقی می‌ماند. با این وجود اگر تبدیل گاز دو بعدی به مایع در سطح A^'  زیر مجموعه سطح A (A^'<A ، قسمت d شکل) وجود داشته باشد، با فرض آنکه جرم مؤثر m تغییر نکند، شیب ظرفیت گرمایی به عنوان تابعی از دما کاهش می‌یابد. و به این دلیل است که در معادله بالا A با A^' جایگزین می‌شود.

بر اساس تجزیه و تحلیل آن‌ها از داده‌ها، ساتو و همکارانش به این نتیجه رسیدند که در دماهای زیر حدود 80 mK، هلیم-3 یک حالت مایع دو بعدی با چگالی0.8 #/nm² دارد. این به این معنی است که اتم‌های هلیم-3 علی‌رغم فاصله بین اتمی بزرگی که دارند (تقریباً 1.1 #/nm²)، به یکدیگر متصل شده و حالت مایع را به وجود می‌آورند. اندازه‌گیری‌های بعدی برای لایه‌های تشکیل شده روی تک لایه هلیم-4 جامد، رفتار مشابهی را نشان می‌دهد (قسمت c شکل). ممکن است هلیم-4 به عنوان یک لایه‌ی حائل که غیر یکنواختی سطح را حذف می‌کند، در نظر گرفته شود. در همه این اندازه‌گیری‌ها، ظرفیت گرمایی به دلیل نوع سوئیچ گرمایی ابر‌رسانای بکار رفته بیشتر از دمای 80 mK نمی‌توانست اندازه‌گیری شود. به همین دلیل ساتو و همکارانش قادر نبودند گذار واقعی از حالت گازی به مایع را مشاهده کنند [2].

بنابراین این اندازه‌گیری‌ها باید به دماهای بالاتری توسعه داده شوند تا به صراحت گذار گاز به مایع بررسی شود. فهمیدن این موضوع که ظرفیت گرمایی هنگام گذار جهش قابل توجهی خواهد داشت یا کاهش می‌یابد، جالب خواهد بود [2]. کاهش دلالت بر از دست رفتن آنتروپی دارد که این موضوع می‌تواند خوب یا بد باشد. بد از این لحاظ که ممکن است بیانگر یک حالت شبه‌ایستا در سیستم باشد و خوب از این لحاظ که می‌تواند نشانگر گذارهای دیگری باشد که در دماهای پایین‌تر رخ می‌دهند و علت آنتروپی از دست رفته باشند. این گذارها شاید دوپارش [9] یا جفت‌شدگی اتم‌های هلیم-3 در حالت مایع باشند. بعلاوه این جفت‌ها می‌توانند یک حالت ابر‌شاره را تشکیل دهند [10].

در مورد نظریه چطور؟ ساتو و همکارانش خاطر نشان کردند که ملاحظات نظری بر خلاف تشکیل حالت مایع خود-مقید برای هلیم-3 است. بنابراین تایید بیشتر این نتایج می‌تواند یک چالش نظری را در محاسبات آینده به وجود آورد.

منبع: physics.aps.org/articles/v5/136