Сверхтекучесть

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от , проверенной 6 февраля 2021; проверки требуют .

Сверхтеку́честь — способность вещества в особом состоянии (квантовой жидкости), возникающем при температурах, близких к абсолютному нулю (термодинамическая фаза), протекать через узкие щели и капилляры без трения. До недавнего времени сверхтекучесть была известна только у жидкого гелия, однако в 2000-е годы сверхтекучесть была обнаружена и в других системах: в разрежённых атомных бозе-конденсатах, твёрдом гелии.

Сверхтекучесть объясняется следующим образом. Поскольку атомы гелия-4 являются бозонами (6 фермионов дают целый спин), квантовая механика допускает нахождение в одном состоянии произвольного числа таких частиц. Вблизи абсолютного нуля температур все атомы гелия оказываются в основном 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 рассеяние энергии попросту не будет происходить. Жидкость будет течь без трения.

Сверхтекучесть жидкого гелия-II ниже лямбда-точки (T = 2,172 К) была экспериментально открыта в 1938 году П. Л. Капицей (Нобелевская премия по физике за 1978 год) и Джоном Алленом. 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.

Теория явления сверхтекучего гелия-II была разработана Л. Д. Ландау (Нобелевская премия по физике за 1962 год).

Вязкость гелия-II, измеряемая двумя экспериментами, сильно различается. Измерение скорости вытекания гелия-II из сосуда через узкую щель под действием силы тяжести, показывает очень малую вязкость (меньше 10−12 Па·с). Измерение времени затухания крутильных колебаний диска, погруженного в гелий-II, показывает вязкость, большую чем вязкость гелия-I (10−6 Па·с)[1].

Процесс теплопроводности у гелия-II существенно очень отличается от процесса теплопередачи нормальной жидкости — тепло проводится через гелий-II и при сколь угодно малой разности температур.[1]

В рамках двухжидкостной модели (также известной как «двухкомпонентная модель»), гелий-II представляет собой смесь двух взаимопроникающих жидкостей: сверхтекучей и нормальной компонент. Сверхтекучая компонента представляет собой собственно жидкий гелий, находящийся в квантово-коррелированном состоянии, в некоторой степени аналогичном состоянию бозе-конденсата (однако, в отличие от конденсата атомов разрежённого газа, взаимодействие между атомами гелия в жидкости достаточно сильно, поэтому теория бозе-конденсата неприменима впрямую к жидкому гелию). 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, то есть 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, то есть без трения. Трение могло бы возникнуть, если бы какой-либо выступ щели порождал 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 другие явления, наблюдающиеся в гелии-II, а во-вторых, прочно базируется на квантовой механике.

Вязкость гелия-II, измеряемая по скорости его вытекания из сосуда через узкую щель под действием силы тяжести, оказывается очень малой вследствие того, что сверхтекучая компонента очень быстро вытекает через щель без трения. Вязкость гелия-II, измеряемая по скорости затухания колебаний крутильного диска, оказывается отличной от нуля вследствие того, что нормальная компонента очень быстро замедляет его вращение[1].

Перенос тепла в гелии-II осуществляется посредством распространения звуковых волн, переносящих энергию в одном направлении, больше, чем в обратном. Вместе с ними движется нормальная компонента, а в обратном направлении движется сверхтекучая компонента, не переносящая тепло[1].