על נוזליות ועל מוליכות

החלוקה הבסיסית של סוגי חלקיקים:
·        בוזונים – חלקיקים "ידידותיים" – אין הגבלות על מספר הבוזונים שניתן לשכן בכל רמת אנרגיה. אי לכך, בטמפרטורה אפסית יאכלסו כל הבוזונים את הרמה הנמוכה ביותר, וככל שהטמפרטורה עולה החלקיקים יאכלסו (בהתפלגות סטטיסטית) רמות גבוהות יותר. הסטטיסטיקה שנובעת מכלל זה נקראת סטטיסטיקת בוז-אינשטיין.
·        פרמיונים – " חלקיקים אינדיבידואליסטים" – ניתן לשכן פרמיון אחד בלבד בכל רמה. בטמפרטורה אפסית N חלקיקים יאכלסו את N מצבי האנגיה הנמוכים ביותר. הכלל נקרא כלל האיסור של פאולי.
הטבע בנוי ברמה האלמנטרית מבוזונים ומפרמיונים (אין מצבי ביניים):
·        הפרמיונים הם "אבני הבניין של היקום". דוגמא קלאסית -  האלקטרונים, אשר שולטים בכל התכונות שאנו נתקלים בהם בחיי היום יום. בנוסף, הגרעין מורכב מנוקליאונים, אשר מורכבים מקוארקים – כולם פרמיונים.
·        הבוזונים הם החלקיקים נושאי הכוחות, אשר מעבירים כוחות בין פרמיונים. דוגמא קלאסית – פוטון. על פי התיאוריה הקוונטית כוחות דחיה / משיכה בין מטענים נובעים מהחלפה של פוטונים בין החלקיקים. בוזונים נוספים: גלואונים (צבע),W- ,W+, ו-Z0 (מעבירי הכח החלש יחד עם הפוטון)
כדי לדעת אם חלקיק הוא פרמיון או בוזון, נבדוק ממה הוא עשוי. אם הוא מכיל מספר אי זוגי של פרמיונים הוא פרמיון, ואם ממספר זוגי הוא בוזון. לדוגמא, הפרוטון הוא חלקיק המורכב מ-3 קוורקים – 2 UP ו-1 Down. בכל מקרה, מדובר ב-3 פרמיונים ולכן גם הפרוטון הוא פרמיון. אטום הליום גם הוא פרמיון, כיוון שהוא מורכב מ-5 פרמיונים (3 נוקלואונים ו-2 אלקטורנים). הליום 4 הוא כבר בוזון, והדבר מביא לשינוי אדיר בתכונות שלו במצבים מסויימים.
על נוזל
מתחת לטמפרטורה נמוכה מאוד (T קריטי), נופלים מספר עצום של בוזונים לרמת האנרגיה הנמוכה ביותר. חומר כזה נקרא "על נוזל". בהליום 4 הטמפ'' הקריטית היא קצת מעל 2 מעלות קלוין.
התכונה המרכזית שמגדירה על נוזל - חוסר חיכוך. הסיבה היא הקורולציה המדהימה שנוצרת בין הבוזונים שנפלו לרמת היסוד. הבוזונים אינם נעים באופן עצמאי אלא נעים כגוף אחד, והתנועה המשלובת שלהם גוררת את התנועה ללא חיכוך – כיוון שאין התנגשות בין חלקיקים. תכונה הזו גוררת תופעות מוזרות: על נוזל מטפס על דפנות כלי האיכסון ונשפך החוצה, והוא פורץ כמזרקה דרך נקב בכלי האכסון אם מאירים עליו.
תכונה נוספת של על נוזל הוא שסיבובו יוצר מערבולות, שהסירקולציה בהן מקוונטטת וקשורה לקבוע פלנק.
בפועל ה"על נוזלים" שאנו מסוגלים ליצור במעבדה הם על נוזלים באחוזים בודדים. על נוזל 100% (בו כל הבוזונים ברמת הייסוד ואין בינהם שום אינטראקציה) הוא תיאורתי בלבד. יצירת על נוזל: בכדי להגיע לעל נוזל יש לקרר את הטמפרטורה של החומר ל-T הקריטי. טמפ'' זו פרופורציונית לצפיפות החומר, ולכן מצליחים להגיע רק בהליום 4 לפאזה על נוזלית – שאר החומרים צפופים מדי ומתקבל מוצק לפני שמגיעים לטמפ'' הקריטית. עם זאת, ניתן להשתמש בגזים דלילים של אטומים כבדים יותר, אולם אז צריך לקרר לטמפ'' של 7- 10 מעלות קלווין. כדי להגיע לטמפ'' כה נמוכה ניתן להשתמש במספר שיטות:
יצירת "דבש אופטי": מאירים באור על הבוזונים, וחלק מהפוטונים נבלע בהם. בשל חוק שימור התנע הבוזון מואט (בהנחה שפגענו נגד כיוון התנועה שלו). לאחר מכן הוא יפלוט את הפוטון בצורה אקראית, ובממוצע, התנע שלו בכיוון המקורי קטן. הטכניקה הזו נקראת Laser cooling. אם נבצע אותה משני כיוונים (X+Y), ניתן להביא לעצירה כמעט מוחלטת של האטומים, ויצירת "דבש אטומי". הקירור הזה מביא ל- 4- 10 קלווין, כך שחסרים לנו עוד 3 סדרי גודל. אנקדוטה: באמצעות אפקט דופלר ניתן לקבוע את הכיוון של האטומים שיקלטו את הפוטונים, כיוון שהם קולטים פוטונים בתדרות מסויימת בלבד.
"לנשוף על האטומים" – לסלק את האטומים היותר אנרגטים, ולהישאר רק עם חלקיקים פחות אנרגטים. יש לזכור שהטמפ'' הקריטית תלויה בצפיפות, ולכן סילוק אטומים מקטין את הצפיפות וגם את הטמפ'' הקריטית, אך באמצעות טכניקה זו אפשר להגיע לטמפ'' הנדרשת.
על מוליכות
אונס ההולנדי ביצע בדיקות של ההתנגדות החשמלית של כספית כפונקציה של הטמפ''. ההפתעה היתה שמתחת לטמפ'' קריטית מסויימת ההתנגדות ירדה ל-0.  לא מדובר בערך באפס, אלא בקרוב ל-0 מושלם – לא ניתן למדוד שינוי בזרם בטווח של 10 שנים עם האמצעים שקיימים כיום. יש חישוב תיאורתי של דעיכת הזרם, אשר מביא לזמן שגדול בכמה סדרי גונה המאפיינת אם כן על מוליך היא התנגדות אפסית, אולם לעל מוליך תכונה נוספת בולטת: הוא "שונא" להיות בשדה מגנטי, ומתחת לגודל מסויים של שדה המערכת תיצור באופן ספונטני שדות המבטלים את השדה החיצוני (אפקט מייזנר). אפקט זה מאפשר לעל מוליכים "לרחף" בתוך שדה מגנטי.
ישנם שני סוגי על מוליכים:
(Type 1) העל מוליכות נהרסת מעל גודל מסויים של שדה מגנטי. עד לגודל השדה הקריטי אפקט מייזנר מתרחש באופן מושלם, ומעליו העל מוליכות נהרסת בפתאומיות
 (Type 2)מופיעים – השדה המגנטי מעל הערך הקריטי מצליח לחדור דרך העל מוליך, ויוצר "מערבולת" מגנטית. גם כאן השטף של המערבולת מקוונטט וקשור לקבוע פלנאק.
 יצירת על מוליך: נשאלת השאלה כיצד להביא מספר גדול של פרמיונים לרמת אנרגיה נמוכה, שהרי על פי כלל האיסור של פאולי פרמיונים באותה מערכת לא יאיישו את אותה רמת אנרגיה. הפתרון – לקחת כל שני פרמיונים וליצור מהם בוזונים (מערכת עם מספר זוגי של פרמיונים) במקרה כזה החלקיקים הפרמיונים יקבלו תכונות של בוזונים והאפקט שיווצר עם הורדת הטמפ'' יהיה זהה, אולם כיוון שהחלקיקים שנעים בצוותא הם אלקטרונים, העל נוזליות מתבטאת כעל מוליכות – "על נוזליות של זוגות אלקטרונים".
שימושים ישומיים של על מוליכים:
רחיפה מגנטית (רכבת ביפן)
MRI - דורש שדות מגנטים גבוהים, אשר ניתן ליצור רק בעל מוליכים. במערכת רגילה הזרמים הגבוהים שנדרשים בשביל ליצור שדות מגנטים כה גבוהים ייצרו חום אדיר שאין דרך להפטר ממנו
בעתיד – גנרטורים וקווי מתח יעילים
רכיבים אלקטרונים מהירים במיוחד
על מוליכות בטמפ'' גבוהות: במשך 77 שנים מאז גילוי העל מוליכות בהולנד (1910) הטמפרטורה שבה ניתן ליצור על מוליכות נשארה נמוכה מאוד. מ-4.2 מעלות קלוין (כספית) ב-1910, ועד 35 מעלות באמצע שנות ה-80. לפני 20 שנה התגלו על מוליכים חדשים אשר הופכים לעל מוליכים בלחצים מסויימים כבר בטמפ'' של 120-130 מעלות. יש לכך משמעויות יישומיות אדירות, כיוון שטמפ'' זו היא הרבה מעל 70 המעלות שהם טמפ'' הרתיחה של חנקן. אי לכך, ניתן ליצור על מוליכים באמצעות חנקן נוזלי, ואין צורך להשתמש בחומרים אחרים אשר השימוש בהם מסובך ובעייתי. מדובר בעל מוליכים מורכבים הרבה יותר, וככה"נ הם אינם מורכבים מ"בוזונים" אלא נוצרו בדרך אחרת אשר עדיין אינה ברורה.