Сверхтекучая жидкость

Аномальное течение Гелия-II

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, атом может получить не 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.

Сверхтекучесть в жидком гелии

Основные факты

Сверхтекучесть жидкого гелия-II 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).

Двухжидкостная модель гелия-II

Рис.1 Относительная доля нормальной компоненты в гелии-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, аналогичном 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 кинетической энергии, 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, а во-вторых, прочно базируется на квантовой механике.

Сверхтекучесть в иных системах

• В 1995 году в экспериментах с разреженными газами щелочных металлов были достигнуты достаточно низкие температуры для того, чтобы газ перешел в состояние бозе-эйнштейновского конденсата. Как и ожидалось на основании теоретических вычислений, полученный конденсат вёл себя как сверхтекучая 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.

• С 2004 года, на основании результатов ряда теоретических работ^[1] предполагается, что при давлениях порядка 4 миллионов атмосфер и выше водород становится не способным переходить в твердую фазу при любом охлаждении (как и гелий при нормальном давлении) образуя тем самым сверхтекучую жидкость. Прямые экспериментальные подтверждения или опровержения 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 ^[2].
• В 2009 году была продемонстрирована сверхтекучесть типа "supersolid" в холодном разреженном газе рубидия ^[3].

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

Ссылки

1. ↑ Egor Babaev; Asle Sudbo, N. W. Ashcroft A superconductor to superfluid phase transition in liquid metallic hydrogen (англ.) (18 Oct 2004). Проверено 20 марта 2009.
2. ↑ Сверхтекучесть в холодном разреженном газе фермионов
3. ↑ Сверхтекучесть типа "supersolid" в холодном разреженном газе рубидия

Обзорные статьи

• В.В. Дмитриев, Спиновая сверхтекучесть в ³He, УФН, т.175 (2005), N.1, 85-92