Сверхтекучесть

Материал из m-protect.ru

Сверхтекучесть, особое состояние квантовой жидкости, находясь в котором жидкость протекает через узкие щели и капилляры без трения; при этом протекающая часть жидкости обладает равной нулю энтропией. Единственным представителем семейства сверхтекучих жидкостей долгое время считался жидкий гелий 4He, становящийся сверхтекучим ниже температуры Тl= 2,17 К (при давлении насыщенных паров ps= 37,8 мм рт. ст.). Сверхтекучий 4He назывался Не II (см. Гелий). С. Не II была открыта П. Л. Капицей в 1938. В 1972—74 было установлено, что С. обладает также жидкий 3He при температуре ниже Тс = 2,6 ×10-3 К на кривой плавления. Переход нормальных жидких 4He и 3He в сверхтекучее состояние представляет собой фазовый переход II рода.

Сверхтекучую жидкость нельзя представлять как жидкость, не обладающую вязкостью, т. к. эксперименты с крутильными колебаниями диска, погруженного в Не II, показали, что затухание колебаний при температуре, не слишком далёкой от Тl ("лямбда-точки"), мало отличается от затухания аналогичных колебаний в Не I, который С. не обладает.

Теория сверхтекучести Не Ii. С. He ll была объяснена Л. Д. Ландау в 1941. Теория Ландау, получившая название двухжидкостной гидродинамики, основана на представлении о том, что при низких температурах свойства Не II как слабовозбуждённой квантовой системы обусловлены наличием в нём элементарных возбуждений, или квазичастиц. Согласно этой теории, Не II можно представить состоящим из двух взаимопроникающих компонент: нормальной и сверхтекучей.

Нормальная компонента при температурах, не слишком близких к Тl, представляет собой совокупность квазичастиц двух типов — фононов (квантов звука) и ротонов (квантов коротковолновых возбуждений, обладающих большей, чем у фононов, энергией). При T = 0 плотность нормальной компоненты rn = 0, поскольку при этом любая квантовая система находится в основном состоянии и возбуждения (квазичастицы) в ней отсутствуют. При температурах от абсолютного нуля до 1,7—1,8 К совокупность элементарных возбуждений в 4He можно рассматривать как идеальный газ квазичастиц. С дальнейшим приближением к Tl из-за заметно усиливающегося взаимодействия квазичастиц модель идеального газа становится неприменимой. Взаимодействие квазичастиц между собой и со стенками сосуда обусловливает вязкость нормальной компоненты.

Остальная часть Не II — сверхтекучая компонента — вязкостью не обладает и поэтому свободно протекает через узкие щели и капилляры; её плотность rs= r — rn, где r — плотность жидкости. При Т = 0, rs= r, при увеличении температуры концентрация квазичастиц растет, поэтому rs уменьшается и, наконец, обращается в нуль при Т = Тl (С. в l-точке исчезает, рис. 1). Согласно теории Ландау, жидкость перестаёт быть сверхтекучей и в случае, когда скорость её потока превышает критическое значение, при котором начинается спонтанное образование ротонов (см. Квантовая жидкость). При этом сверхтекучая компонента теряет импульс, равный импульсу испускаемых ротонов, и, следовательно, тормозится. Однако экспериментальное значение критической скорости существенно меньше той, которая требуется по теории Ландау для разрушения С.