مدهای جمعی در ابرشارۀ (_^3)He

در طبیعت چندین نوع ابرشاره وجود دارد؛ اکترون‌های ابررسانا در فلزات، مایعات هلیومی (هم (_^4)He و هم ایزوتوپ کمیاب (_^3)He)، و احتمالاً شارۀ داخل یک ستارۀ نوترونی از آن جمله‌اند. حالت ابرشاری، در اکثر موارد جالب‌ترین فاز ترمودینامیکی ماده است. خاصیت ابررسانایی فلزات (از بین رفتن کامل مقاومت الکتریکی) اکنون نسبتاً خوب شناخته شده است؛ در واقع ابررسانایی در طرز کار کامپیوتر، انتقال نیرو و یا به طور کلی در هر دستگاهی که با آهن‌رباهای بزرگ کار می‌کند، مانند شتاب دهنده‌ها، مولدهای نیرو و آهن‌رباهای بالا نگه‌دار، نقش بسیار مهمی دارد.
مایعات هلیومی ابرشاری (داوید مرمین و دیگر 1976)، مخصوصاً (_^3)He، کم‌تر شناخته شده‌اند. از لحاظ نظری، به احتمال بسیار زیاد (_^3)He جالب‌ترین مایع طبیعت است، دلایل این موضوع را به اختصار بیان خواهیم کرد. ولی این مایع فقط در پایین‌تر از 3°K وجود دارد و فقط در پایین‌تر از حدود 0/002°K (گسترۀ دماهایی که تنها چند آزمایشگاه می‌توانند به آن برسند) وارد حالت ابرشاری می‌شود.
تمامی مواد هنگام سرد شدن تغییر حالت (گذارهای فازی) می‌دهند؛ از گاز به مایع (میعان) و از مایع به جامد (انجماد) آشناترین نمونه‌های این تغییر حالتند. اما ردۀ دیگری نیز به نام گذارهای فازی مرتبۀ دوم وجود دارد. در این گذارها به طور هم‌زمان تقارن از بین می‌رود و نظم نوع جدیدی پدیدار می‌شود. فرّومغناطیس (یا به اختصار مغناطیس) از این نوع است. در فرّومغناطیس گشتاورهای مغناطیسی تک‌تک الکترون‌ها به خط می‌شوند و نظم جدیدی تشکیل می‌دهند. این به خط شدن راستایی را در فضا (اگرچه به دل‌خواه) مشخص می‌کند که نشان دهندۀ وضعیتی با تقارن کم‌تر از حالت هم‌سان‌گرد با دمای بالاست؛ زیرا در حالت اخیر گشتاورهای مغناطیسی به طور کتره‌ای سمت‌گیری می‌کنند. پدیدۀ کم‌تر آشنایی نیز با این گذار همراه است؛ این پدیده ظهور برانگیختگی‌های جدیدی به نام امواج (یا مدهای) جمعی است. جمعی از این لحاظ که یک حرکت موج‌گونه از جابه‌جایی جمعی تعداد زیادی ذره تولید می‌شود. در حالت فرّومغناطیس این مد جمعی عبارت است از یک حرکت تقدیمی موج‌گونۀ مغناطیدگی (مغناطیسی شدن) حول راستای ترازمندی آن.
تقارن از دست رفته و مدهای جمعیِ همراه آن در یک ابرشاره دارای مشخصات نسبتاً ظریفی هستند. درک این امر حاصل نظریۀ ابررسانایی است که ابتدا توسط باردین، کوپر و شری‌فر (B C S) فرمول‌بندی و بعداً توسط کسان دیگری اصلاح شد. معمولا، این خواص از فاز وابسته به تابع موج کوانتومی ماده مستقل‌اند؛ اما این امر در مورد یک ابرشاره، که در آن تقارن از دست رفته را «ناوردایی پیمانه‌ای شکسته» می‌نامند، صادق نیست. تقارن پیمانه‌ای شکسته نیز از جمله مباحث عمدۀ مورد توجه پژهشگران فیزیک ذرات بنیادی است.
بنا به نظریۀ B C S، الکترون‌ها با هم جفت می‌شوند و یک نوع مولکول به نام زوج کوپر تشکیل می‌دهند. در (_^3)He اندازه حرکت‌های زاویه‌ای اسپینی تک‌تک اتم‌ها (به جای این که هم‌چون اندازه حرکت زاویه‌ای اسپینی الکترون‌ها یکدیگر را خنثی کنند) به هم افزوده می‌شوند و در عین حال هم‌زمان به دور هم می‌چرخند و یک اندازه حرکت زاویه‌ای مداری خالص تولید می‌کنند. در این حالت مدهای جمعی شامل ارتعاشات مختلف فاز و اندازه حرکت زاویه‌ای مداری و اسپینی زوج‌هاست. جالب توجه است که طیف‌نمایی مدهای جمعی شباهت نزدیکی به طیف‌نمایی اتم‌ها و الکترون‌های آزاد دارد (ولف 1981). حتی این مدها را می‌توان، هم‌چون مورد یک اتم، برحسب اندازه حرکت زاویه‌ای کل آن‌ها (به نام J) رده‌بندی کرد. اما به جای برانگیختن «اتم‌ها» به وسیلۀ نور از امواج صوتی با بسامد بالا استفاده می‌کنیم.
طی دو سال گذشته ماهیت مدهای جمعی (_^3)He، توسط پژوهشگران دانشگاه‌های نورث وسترن (ماست و دیگر )، کورنل (جای‌نتا و دیگر ) و ساک‌لی (آوِنل و دیگر )، با استفاده از امواج فراصوتی، تا حدود زیادی آشکار شده است. با تغییر دما می‌توان بسامد بیشتر مدهای جمعی را تغییر داد: وقتی بسامد مد جمعی با بسامد صوت جور شد یک ساختار تشدید بسیار تیز و شدید مشاهده می‌شود. هنگام استفاده از میدان مغناطیسی (آوِنل و دیگر ) یک اثر نسبتاً جالب مشاهده می‌شود: بسامدهای مد، مانسته با اثر زیمان طیف‌نمایی اتمی (که در آن تعداد بسامدها با رابطۀ کوانتومی 2J+1 مشخص می‌شود) به طور خطی به مدهای چندتایی شکافته می‌شوند. میدان‌های قوی باعث تکامل غیر خطی مدها می‌شوند؛ این اثر را، در قیاس اتمی، اثر بک ‌ـ پاشن (شی‌واران و دیگر ) می‌نامند. قیاس اتمی با رفتار طول موج بلند مدهای جمعی محدود می‌شود. هرگاه این بسامدهای مد در طول موج‌های کوتاه‌تر آزمایش شوند، معلوم می‌شود که به طول موج وابسته‌اند (داوید مرمین و دیگر 1976؛ شی‌واران و دیگر 1982).
آن‌چه شاید غیر معمول‌ترین حالت است این است که اتم‌های با پوستۀ بستۀ گاز نادر (_^3)He،که از طریق یک پتانسیل همسان‌گرد درون اتمی با هم برهم‌کنش می‌کنند، می‌توانند به یک حالت ناهمسان‌گرد کامل با اندازه حرکت‌های زاویه‌ای اسپینی و مداری ماکروسکوپیک و با طیف‌های غنی مد جمعی چگالیده شوند؛ خواص این حالت ناهمسان‌گرد به خواص اتم‌های برانگیخته و ذرات آزاد بسیار شبیه است.