Сверхтекучесть
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Сверхтеку́честь — термодинамическая фаза квантовой жидкости, при котором она протекает через узкие щели и капилляры без трения. До недавнего времени сверхтекучесть была известна только у жидкого гелия, однако в последние годы сверхтекучесть была обнаружена и в других системах: в разреженных атомных бозе-конденсатах, твёрдом гелии.
Сверхтекучесть объясняется следующим образом. Поскольку атомы гелия являются бозонами, квантовая механика допускает нахождение в одном состоянии произвольного числа частиц. Вблизи абсолютного нуля температур, все атомы гелия оказываются в наинизшем энергетическом состоянии. Поскольку энергия состояний дискретна, то атом не может получить любую энергию, а только такую, которая равна энергетическому зазору между соседними уровнями энергии. Но при низкой температуре энергия столкновений может оказаться меньше этой величины, в результате чего рассеяния энергии попросту не будет происходить. Жидкость будет течь без трения.
Содержание |
[править] Сверхтекучесть в жидком гелии-4
[править] Основные факты
Сверхтекучесть жидкого гелия-4 ниже лямбда-точки (T = 2,172 К) была открыта в 1938 году П. Л. Капицей (Нобелевская премия по физике за 1978 год). Уже до этого было известно, что при прохождении этой точки жидкий гелий испытывает фазовый переход, переходя из полностью «нормального» состояния (называемого гелий-I) в новое состояние так называемого гелия II, однако только Капица показал, что гелий-II течёт вообще (в пределах экспериментальных погрешностей) без трения. На сегодняшний день установлено, что коэффициент вязкости у гелия II меньше 10-12 Па·с, в то время как у гелия I вблизи температуры 4,22 К этот коэффициент имеет величину порядка 10-6 Па·с.
Теория сверхтекучего гелия-II была разработана Л. Д. Ландау (Нобелевская премия по физике за 1962 год).
[править] Двухжидкостная модель гелия-II
В рамках двухжидкостной модели, гелий-II представляет собой смесь двух взаимопроникающих жидкостей: сверхтекучей и нормальной компонент. Сверхтекучая компонента представляет собой собственно жидкий гелий, находящийся в квантово-коррелированном состоянии, аналогичным состоянию бозе-конденсата (однако, в отличие от конденсата разреженных паров атомов, гелий находится в режиме сильной связи). Эта компонента движется без трения, обладает нулевой температурой и не участвует в переносе энергии в форме теплоты. Нормальная компонента представляет собой газ квазичастиц двух типов: фононов и ротонов, т. е. элементарных возбуждений квантовокоррелированной жидкости; она движется с трением и участвует в переносе энергии.
При нулевой температуре в гелии отсутствует свободная энергия, которую можно было бы потратить на рождение квазичастиц, и поэтому гелий находится полностью в сверхтекучем состоянии. При повышении температуры плотность газа квазичастиц (прежде всего, фононов) растёт, и доля сверхтекучей компоненты падает. Вблизи температуры лямбда-точки концентрация квазичастиц становится столь велика, что они образуют уже не газ, а жидкость квазичастиц, и наконец при превышении температуры лямбда-точки макроскопическая квантовая когерентность теряется, и сверхтекучая компонента пропадает вовсе. Относительная доля нормальной компоненты показана на Рис.1.
При протекании гелия сквозь щели с малой скоростью, сверхтекучая компонента, по определению, обтекает все препятствия без потери импульса, т. е. без трения. Трение могло бы возникнуть, если бы какой-либо выступ щели порождал бы квазичастицы, уносящие в разные стороны импульс жидкости. Однако такое явление при малых скоростях течения энергетически невыгодно, и только при превышении критической скорости течения начинают генерироваться ротоны.
Эта модель, во-первых, хорошо объясняет разнообразные термомеханические, светомеханические и т. п. явления, наблюдающиеся в гелии-II, в во-вторых прочно базируется на квантовой механике.
[править] Сверхтекучесть в жидком гелии-3
[править] Сверхтекучесть в иных системах
- В 1995 году в экспериментах с разреженными газами щелочных металлов были достигнуты достаточно низкие температуры для того, чтобы газ перещёл в состояние бозе-эйнштейновского конденсата. Как и ожидалось на основании теоретических вычислений, полученный конденсат вёл себя как свертекучая жидкость. В последующих экспериментах было установлено, что при движении тел сквозь этот конденсат со скоростями меньше критической никакой передачи энергии от тела к конденсату не происходит.
- В 2004 году было объявлено об открытии сверхтекучести и у твёрдого гелия. Последующие исследования, однако, показали, что ситуация далеко не столь проста, и потому говорить об экспериментальном обнаружении этого явления пока преждевременно.
- На основании результатов ряда теоретических работ (см. например E.Babaev, A.Sudbo, N.W.Ashcroft, Nature 431 (2004) 666-668 = cond-mat/0410408) предполагается, что при определённых условиях сверхтекучая фаза есть также и у жидкого водорода. Прямые экспериментальные подтверждения пока отсутствуют.
- Существуют также работы, предсказывающие сверхтекучесть в холодном нейтронном или кварковом агрегатном состоянии. Это может оказаться важным для понимания физики нейтронных и кварковых звёзд.
- В 2005 году была открыта сверхтекучесть в холодном разреженном газе фермионов (см. популярную заметку «В Массачусетсе создана „горячая“ сверхтекучая жидкость»).
[править] Современные направления исследования
- Турбулентность в сверхтекучей жидкости
- Сверхтекучесть в системах с внутренними степенями свободы
- Связь сверхпроводящих и сверхтекучих фаз
- Спиновая сверхтекучесть
- Поиск новых веществ со сверхтекучими фазами
[править] Ссылки
[править] Обзорные статьи
|
|||
|---|---|---|---|
| Твёрдое тело | Жидкость | Газ | Плазма Коллоид | Сверхкритическая жидкость | Сверхтекучая жидкость | Сверхтвёрдое тело | Вырожденная материя | Кварк-глюонная плазма | Фермионный конденсат | Конденсат Бозе — Эйнштейна | Странная материя Переходные точки: точка плавления | точка кипения | тройная точка | критическая точка Другие понятия: уравнение состояния | кривая охлаждения |
