СВЕРХТЕКУ́ЧЕСТЬ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
СВЕРХТЕКУ́ЧЕСТЬ, явление бездиссипативного переноса массы в макроскопич. квантовых системах. Открыто в жидком 4Не (см. Гелий жидкий) П. Л. Капицей (1938) и в жидком 3Не Д. Ошеровым, Р. Ричардсоном и Д. Ли (1972). Бездиссипативное (незатухающее) движение обеспечивается когерентностью фаз макроскопич. числа частиц квантовой жидкости.
Сверхтекучее состояние обладает дальним порядком (см. Дальний и ближний порядок) и возникает в результате фазового перехода 2-го рода при охлаждении ниже некоторой критич. темп-ры Тс, называемой темп-рой перехода в сверхтекучее состояние. Для жидкого 4Не Тс=2,17 К при давлении насыщенных паров (выше этой темп-ры жидкий 4He называют Не I, ниже – Не II), для жидкого 3Не Тс=2,7·10–3 К при давлении 3,4·106 Па и Тс= 0,9·10–3 К при давлении насыщенных паров. Механизмы образования сверхтекучего состояния и вид его параметра порядка, отличного от нуля при Т<Тс и равного нулю при Т>Тс, могут быть самыми разнообразными.
Часть жидкости, принимающая участие в сверхтекучем движении, называется сверхтекучей компонентой. Плотность сверхтекучей компоненты ρс в жидком 4Не при Т= 0 К совпадает с полной плотностью жидкости ρ и уменьшается до нуля с повышением темп-ры до Т=Тс. Значение ρс отлично от нуля только в сверхтекучем состоянии. Остальная часть жидкости с плотностью ρн=ρ-ρс образует нормальную компоненту, при низких темп-pax представляющую собой совокупность элементарных возбуждений (квазичастиц) двух типов – фононов и ротонов (см. Ландау теория сверхтекучести). В принципе возможны и существуют сверхтекучие системы (3Не, бесщелевые сверхпроводники, раствор 3Не в сверхтекучем 4Не) с ненулевой плотностью нормальной компоненты при Т=0 К.
Сверхтекучая компонента, в отличие от нормальной, вязкостью не обладает и поэтому свободно протекает через узкие щели и капилляры. Согласно теории Ландау, жидкость перестаёт быть сверхтекучей и в случае, когда скорость её потока превышает критич. значение, при котором начинается спонтанное образование ротонов. При этом сверхтекучая компонента теряет импульс, равный импульсу испускаемых ротонов, и, следовательно, тормозится. Однако эксперим. значение критич. скорости существенно меньше той, которую предсказывает теория Ландау для разрушения сверхтекучести.
С микроскопич. точки зрения появление С. в жидкости, состоящей из атомов с целым спином (бозонов), напр. атомов 4He, связано с переходом при Т<Тс значит. числа атомов в состояние с нулевым импульсом. Это явление называется Бозе – Эйнштейна конденсацией, а совокупность перешедших в новое состояние атомов – бозе-конденсатом. Существование в 4He атомов, обладающих разл. характером движения, – атомов конденсата и атомов, не вошедших в конденсат, – приводит к двухжидкостной гидродинамике Ландау (Н. Н. Боголюбов; 1947, 1963).
Сверхтекучая компонента движется потенциально (см. Потенциальное течение). Потенциальность её течения может нарушаться на осях т. н. квантованных вихрей, которые отличаются от вихрей в обычных жидкостях тем, что циркуляция скорости вокруг оси вихря квантуется (Л. Онсагер, 1949; Р. Фейнман, 1955). Квантованные вихри осуществляют взаимодействие между сверхтекучей и нормальной компонентами сверхтекучей жидкости. Это взаимодействие приводит хотя и к слабому, но конечному затуханию потока сверхтекучей жидкости в замкнутом канале. При некоторой скорости движения сверхтекучей компоненты относительно нормальной компоненты или стенок сосуда квантованные вихри начинают образовываться настолько интенсивно, что свойство С. исчезает. В рамках этой теории С. пропадает при скоростях, существенно меньших предсказываемых теорией Ландау и более близких к реальным значениям критич. скорости.
При определённых условиях С. может осуществляться и в системах, состоящих из атомов с полуцелым спином – фермионов (в т. н. ферми-жидкостях). Это происходит в том случае, когда между фермионами имеются силы притяжения, которые приводят к образованию связанных состояний пар фермионов, т. н. куперовских пар (см. Купера эффект). Куперовские пáры обладают целым спином, поэтому могут образовывать бозе-конденсат. С. такого рода осуществляется для электронов в некоторых металлах и носит назв. сверхпроводимости. Аналогичная ситуация имеет место в жидком 3He, атомы которого имеют спин 1/2 и образуют типичную квантовую ферми-жидкость. Свойства ферми-жидкости можно описать как свойства газа квазичастиц-фермионов с эффективной массой, примерно в 3 раза большей, чем масса атома 3He. Силы притяжения между квазичастицами в 3He очень малы, лишь при темп-рах порядка нескольких мК в 3He создаются условия для образования куперовских пар квазичастиц и возникновения С. В отличие от 4He, на диаграмме состояния 3He обнаружены две сверхтекучие фазы (А и B). Переход нормальной ферми-жидкости в фазу А представляет собой фазовый переход 2-го рода (теплота фазового перехода равна нулю). В фазе A образовавшиеся куперовские пáры обладают спином, равным 1, и отличным от нуля моментом импульса. В ней могут возникать области с общими для всех пар направлениями спинов и моментов импульса. Поэтому фаза А является анизотропной жидкостью. В магнитном поле фаза А расщепляется на две фазы, каждая из которых также анизотропна. Переход из сверхтекучей фазы А в сверхтекучую фазу В является фазовым переходом 1-го рода с теплотой перехода ок. 1,5·10–6 Дж/моль.
В сверхтекучей жидкости, кроме обычного (первого) звука (колебаний плотности), может распространяться второй звук (см. Звук в сверхтекучем гелии). Сверхтекучая жидкость обладает аномально высокой теплопроводностью. При нагревании сверхтекучей жидкости в одном из сообщающихся (через капилляр) сосудов между сосудами возникает разность давлений (термомеханический эффект). Существует и обратный эффект – механокалорический эффект.