КВА́НТОВАЯ ЖИ́ДКОСТЬ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
КВА́НТОВАЯ ЖИ́ДКОСТЬ, жидкость, свойства которой определяются квантовыми эффектами. Квантовые эффекты в жидкости становятся существенными при очень низких темп-рах, когда длина волны де Бройля для частиц жидкости, вычисленная по энергии их теплового движения, становится сравнимой с расстоянием между ними.
Согласно классич. механике, с понижением темп-ры кинетич. энергия частиц любого тела уменьшается, и при достаточно низкой темп-ре они совершают малые колебания около положений, соответствующих минимуму потенциальной энергии всего тела. При абсолютном нуле темп-ры колебания должны прекратиться, а частицы – занять строго определённые положения, т. е. любое тело должно превратиться в кристалл. Существование жидкостей вблизи абсолютного нуля темп-ры связано с квантовыми эффектами. Из квантовой механики известно, что чем точнее фиксировано положение частицы, тем больше оказывается разброс значений её скорости (см. Неопределённостей соотношение). Следовательно, даже при абсолютном нуле темп-ры частицы не могут занимать строго определённых положений, а их кинетич. энергия не обращается в нуль, остаются т. н. нулевые колебания. Если их амплитуда сравнима со средним расстоянием между частицами тела, то тело может остаться жидким вплоть до абсолютного нуля темп-ры.
Примерами К. ж. являются жидкий 4Не и жидкий 3Не (см. Гелий жидкий), а также их смеси при темп-ре, близкой к абсолютному нулю (1–2 К). Свойствами К. ж. обладают также электроны в металлах и полупроводниках, экситоны в экситонных каплях в диэлектриках, протоны и нейтроны в атомных ядрах.
К. ж. делятся на бозе-жидкости и ферми-жидкости в соответствии с применяемыми для их описания статистиками Бозе – Эйнштейна или Ферми – Дирака. Известна только одна бозе-жидкость – жидкий 4He, атомы которого обладают равным нулю спином. Атомы 3He и электроны в металле имеют полуцелый спин (1/2) и являются ферми-жидкостями.
Согласно квантовой механике, любая система взаимодействующих частиц может находиться только в определённых квантовых состояниях, характерных для всей системы в целом, при этом энергия всей системы может меняться только определёнными порциями – квантами. В К. ж. изменение энергии происходит путём испускания или поглощения элементарных возбуждений – квазичастиц, характеризующихся определённым импульсом $\boldsymbol p$, энергией $\mathscr E(\boldsymbol p)$, зависящей от импульса, и спином. Закон дисперсии квазичастиц $\mathscr E(\boldsymbol p)$ – важнейшая характеристика К. ж. При низких темп-рах число квазичастиц мало, их взаимодействие незначительно и их можно рассматривать как идеальный газ квазичастиц. Наличие газа квазичастиц одинаково характерно как для бозе-, так и для ферми-жидкости. Рассмотрение свойств К. ж. на основе этих представлений оказывается, в известном смысле, более простым, чем свойств обычных жидкостей при высоких темп-рах, когда число возбуждений велико и их свойства не аналогичны свойствам идеального газа.
При темп-ре 2,17 К и давлении насыщенного пара жидкий 4He испытывает фазовый переход 2-го рода в состояние Не II со специфич. квантовыми свойствами. Само наличие точки перехода связывается с появлением т. н. бозе-конденсата (см. Бозе – Эйнштейна конденсация). Важнейшим свойством этого состояния бозе-жидкости является её сверхтекучесть – способность двигаться относительно сосуда без диссипации энергии.
При протекании К. ж. со скоростью $\boldsymbol v$ через узкую трубку или щель происходит её торможение за счёт образования квазичастиц с импульсом, направленным противоположно скорости течения. В результате торможения энергия К. ж. должна убывать, но не плавно, а определёнными порциями. Для образования квазичастиц с некоторой энергией скорость потока должна быть не меньше, чем $v_{кр}=\text{min}[\mathscr E(\boldsymbol p)/p]$; эту скорость называют критической. К. ж., у которых $v_{кр}\neq0$, будут сверхтекучими, т. к. при скоростях меньших $v_{кр}$ новые квазичастицы не образуются и, следовательно, жидкость не тормозится. Предсказанный теорией Ландау и экспериментально подтверждённый закон дисперсии $\mathscr E(\boldsymbol p)$ квазичастиц в Не II удовлетворяет этому требованию.
Невозможность образования при течении с $v \lt v_{кр}$ новых квазичастиц в Не II приводит к т. н. двухжидкостной гидродинамике. Совокупность квазичастиц рассеивается и тормозится стенками сосуда, она составляет нормальную вязкую часть жидкости, в то время как остальная жидкость является сверхтекучей. Особый характер имеет вращение сверхтекучей жидкости, в ней появляются вихри с квантованной циркуляцией скорости сверхтекучей компоненты (т. н. квантованные вихри). В Не II возможно распространение нескольких типов звука, из которых первый звук соответствует обычным адиабатич. колебаниям плотности, второй звук – колебаниям плотности квазичастиц и, следовательно, темп-ры (см. Звук в сверхтекучем гелии).
В ферми-жидкости часть квазичастиц имеет полуцелый спин и подчиняется статистике Ферми – Дирака, это т. н. одночастичные возбуждения. Наряду с ними в ферми-жидкости существуют квазичастицы с целочисленным спином, подчиняющиеся статистике Бозе – Эйнштейна, с которыми связан нулевой звук, предсказанный теоретически и открытый в жидком 3He.
Ферми-жидкости делятся на нормальные и сверхтекучие в зависимости от свойств спектра квазичастиц. К нормальным ферми-жидкостям относятся электроны в несверхпроводящих металлах, в которых энергия одночастичных возбуждений может быть сколь угодно малой при конечном значении импульса. Такими же свойствами обладают электроны сверхпроводящих металлов и жидкий 3He при темп-ре выше темп-ры перехода в сверхпроводящее и сверхтекучее состояния соответственно. Теория нормальных ферми-жидкостей была развита Л. Д. Ландау в 1956–58.
Сверхтекучая ферми-жидкость электронов в сверхпроводящих металлах обладает нулевым электрич. сопротивлением (см. Сверхпроводимость). Теория сверхтекучей ферми-жидкости была развита Дж. Бардином, Л. Купером, Дж. Шриффером (1956) и независимо Н. Н. Боголюбовым (1956). Согласно этой теории, если между двумя квазичастицами вблизи ферми-поверхности имеется притяжение при некотором значении их суммарного момента $l$, то происходит образование их связанных пар с суммарным моментом, равным $l$ (см. Купера эффект). Пары являются бозе-образованием, и при определённой темп-ре происходит их бозе-конденсация в сверхтекучую К. ж. Для возникновения любого одночастичного возбуждения – разрыва связанной пары – необходимо затратить конечную энергию. В отличие от нормальных ферми-жидкостей, это приводит к $v_{кр} \neq 0$, т. е. к сверхтекучести К. ж. Наиболее известным случаем образования пар с $l \neq 0$ является жидкий 3He, который переходит в сверхтекучее состояние при темп-ре порядка 10–4 К и при давлении насыщенного пара. В сверхпроводящих металлах известно образование пар как с равными, так и не равными нулю $l$. Существует глубокая аналогия между сверхпроводимостью и сверхтекучестью. Как и в 4He, в сверхпроводящих металлах имеется фазовый переход 2-го рода, связанный с появлением бозе-конденсата пар электронов. При определённых условиях в магнитном поле в сверхпроводниках 2-го рода появляются вихри с квантованным магнитным потоком, являющиеся аналогом вихрей в Не II.