Сверхтекучесть

Сверхтекучесть — это квантовое макроскопическое явление, при котором жидкость (или газ) при температурах, близких к абсолютному нулю, течёт без вязкости, то есть без потерь энергии на трение. Сверхтекучесть наблюдается в жидком гелии-4 (⁴He) при температурах ниже 2,17 К (так называемой λ-точки), в жидком гелии-3 (³He) при температурах ниже 0,0025 К, а также в ультрахолодных атомных газах (конденсаты Бозе — Эйнштейна) и в нейтронной материи внутри нейтронных звёзд. Явление было открыто в 1937 году советским физиком Петром Капицей и независимо — канадскими учёными Джоном Алленом и Доном Мизенером. Сверхтекучесть является макроскопическим проявлением квантовых эффектов, поскольку в сверхтекучем состоянии значительная часть атомов жидкости находится в одном квантовом состоянии (конденсат Бозе — Эйнштейна), что приводит к коллективному поведению системы.

История открытия

Первые наблюдения

В начале XX века физики изучали свойства жидкого гелия при низких температурах. В 1908 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес впервые сжижил гелий, получив температуру около 4,2 К. В 1911 году он открыл сверхпроводимость, но сверхтекучесть оставалась незамеченной до 1930-х годов, когда были обнаружены аномалии в поведении жидкого гелия-4 при температурах ниже 2,17 К.

Открытие Капицы

В 1937 году советский физик Пётр Капица, работавший в Институте физических проблем АН СССР, проводил эксперименты по течению жидкого гелия через узкие капилляры и щели. Он обнаружил, что при температурах ниже 2,17 К гелий протекает практически без сопротивления, демонстрируя нулевую вязкость. Капица назвал это явление «сверхтекучестью». В том же году Аллен и Мизенер в Кембридже независимо подтвердили эти наблюдения, показав, что сверхтекучий гелий может вытекать из перевёрнутого сосуда через отверстие диаметром менее 0,1 мм.

Теоретическое объяснение

В 1941 году советский физик Лев Ландау разработал теорию сверхтекучести, основанную на концепции квантовых возбуждений (фононов и ротонов) и двухжидкостной модели. Согласно этой модели, жидкий гелий-4 при температурах ниже λ-точки состоит из двух компонент: сверхтекучей (с нулевой вязкостью) и нормальной (с обычной вязкостью). Отношение этих компонент зависит от температуры: при абсолютном нуле весь гелий является сверхтекучим, а при λ-точке доля сверхтекучей компоненты падает до нуля. За эту работу Ландау был удостоен Нобелевской премии по физике в 1962 году. Пётр Капица получил Нобелевскую премию в 1978 году за открытие сверхтекучести.

Физическая природа

Квантовая конденсация

Сверхтекучесть является прямым следствием конденсации Бозе — Эйнштейна (КБЭ). Атомы гелия-4 являются бозонами (имеют целый спин, равный 0), поэтому при достаточно низких температурах они могут переходить в единое квантовое состояние — конденсат. В этом состоянии все атомы описываются одной волновой функцией, что приводит к макроскопическим квантовым эффектам. Для гелия-3, который является фермионом (спин 1/2), сверхтекучесть возникает через образование куперовских пар (как в сверхпроводниках), что делает его сверхтекучесть аналогом сверхпроводимости.

Двухжидкостная модель

Ландау предложил описывать сверхтекучий гелий как смесь двух жидкостей:

• Сверхтекучая компонента — движется без трения, не переносит энтропию и не участвует в тепловых процессах.
• Нормальная компонента — ведёт себя как обычная вязкая жидкость, переносит тепло и энтропию.

Плотность каждой компоненты зависит от температуры. При T = 0 К вся жидкость сверхтекучая; при T = Tλ нормальная компонента составляет 100%. Эта модель объясняет многие эффекты, такие как термомеханический эффект (фонтанный эффект) и второй звук.

Критическая скорость

Сверхтекучесть разрушается, если скорость потока превышает некоторое критическое значение. При превышении этой скорости возникают квантовые вихри — топологические дефекты, в которых сверхтекучая компонента теряет когерентность. Критическая скорость определяется энергией образования вихрей и может составлять от нескольких мм/с до нескольких м/с в зависимости от геометрии эксперимента.

Основные свойства

Нулевая вязкость

Главное свойство сверхтекучей жидкости — отсутствие вязкости. Это означает, что жидкость может течь через мельчайшие капилляры и щели без сопротивления. В эксперименте Капицы гелий протекал через щель шириной 0,5 мкм, что невозможно для обычной жидкости.

Термомеханический эффект (фонтанный эффект)

Если два сосуда со сверхтекучим гелием соединить тонким капилляром и нагреть один из них, то в нагретом сосуде уровень жидкости поднимается, создавая «фонтан». Это происходит потому, что нормальная компонента, переносящая тепло, не может пройти через узкий канал, а сверхтекучая компонента течёт свободно, выравнивая давление.

Второй звук

В сверхтекучем гелии существует два типа звуковых волн:

• Первый звук — обычные волны давления (как в любой жидкости).
• Второй звук — волны температуры, в которых колеблется относительная концентрация сверхтекучей и нормальной компонент. Скорость второго звука меньше скорости первого и зависит от температуры.

Сверхтекучая плёнка

Сверхтекучий гелий образует на стенках сосуда тонкую плёнку (толщиной около 30 нм), которая движется вверх по стенке под действием капиллярных сил. Это приводит к эффекту «ползучести»: гелий может вытекать из открытого сосуда вверх по стенке и наружу.

Квантованные вихри

В сверхтекучем гелии циркуляция скорости квантована: она может принимать только значения, кратные h/m (где h — постоянная Планка, m — масса атома гелия). Это приводит к образованию вихрей с квантованным моментом импульса. Такие вихри были экспериментально обнаружены в 1950-х годах.

Виды сверхтекучести

Сверхтекучесть гелия-4

Гелий-4 — наиболее изученная сверхтекучая система. λ-точка для ⁴He составляет 2,17 К при атмосферном давлении. При понижении давления λ-точка смещается, а при давлении выше 25 атм сверхтекучесть исчезает (гелий переходит в твёрдую фазу). Сверхтекучий ⁴He используется в экспериментах по квантовой гидродинамике и как модельная система для изучения фазовых переходов.

Сверхтекучесть гелия-3

Гелий-3 (изотоп с двумя протонами и одним нейтроном) является фермионом. Его сверхтекучесть возникает при температурах ниже 0,0025 К (около 2,5 мК) и требует образования куперовских пар (как в сверхпроводниках). Сверхтекучий ³He имеет несколько фаз (A, B, A1), различающихся ориентацией спинов и орбитальных моментов пар. Это явление было открыто в 1972 году американскими физиками Дугласом Ошеровым, Робертом Ричардсоном и Дэвидом Ли (Нобелевская премия 1996 года).

Сверхтекучесть в конденсатах Бозе — Эйнштейна

В ультрахолодных атомных газах (например, рубидий, натрий, литий) при температурах порядка 10⁻⁷ К наблюдается конденсация Бозе — Эйнштейна, которая проявляет сверхтекучие свойства. Однако в таких газах сверхтекучесть менее устойчива из-за малой плотности и взаимодействий.

Сверхтекучесть в нейтронных звёздах

Внутренняя часть нейтронных звёзд (кора) состоит из нейтронной материи, которая при определённых условиях может быть сверхтекучей. Сверхтекучесть нейтронов объясняет ряд астрофизических явлений, таких как резкие изменения периода вращения пульсаров (глитчи) и охлаждение нейтронных звёзд.

Применение и значение

Фундаментальная физика

Сверхтекучесть является важным инструментом для изучения квантовой механики на макроскопическом уровне. Она позволяет исследовать фазовые переходы, квантовые вихри, волны второго звука и другие явления. Сверхтекучий гелий используется в экспериментах по поиску аксионов и других гипотетических частиц.

Технические применения

Хотя сверхтекучесть редко используется в промышленности напрямую, её изучение привело к развитию низкотемпературных технологий. Сверхтекучий гелий применяется в криогенных системах (например, для охлаждения сверхпроводящих магнитов в ускорителях частиц и МРТ-томографах), где его высокая теплопроводность (в 1000 раз выше, чем у меди) позволяет эффективно отводить тепло.

Астрофизика

Понимание сверхтекучести нейтронной материи помогает моделировать эволюцию нейтронных звёзд, их вращение и вспышки. Глитчи пульсаров (внезапные ускорения вращения) связывают с перестройкой сверхтекучей коры.

Интересные факты

• Сверхтекучий гелий может «ползти» вверх по стенке сосуда, преодолевая силу тяжести, благодаря капиллярному эффекту в сверхтекучей плёнке.
• В сверхтекучем гелии теплопроводность настолько высока, что тепло распространяется в виде волн (второй звук), а не диффузией.
• Если вращать сосуд со сверхтекучим гелием, то в нём образуются квантованные вихри, которые можно визуализировать с помощью ионов.
• Сверхтекучесть гелия-3 была предсказана теоретически за несколько лет до экспериментального открытия.
• В 1990-х годах были обнаружены признаки сверхтекучести в твёрдом гелии (так называемая «сверхтекучесть в твёрдом теле»), но эти результаты остаются спорными.

Источники

• Капица П. Л. «Сверхтекучесть жидкого гелия» // Успехи физических наук, 1938.
• Ландау Л. Д. «Теория сверхтекучести гелия II» // Журнал экспериментальной и теоретической физики, 1941.
• Тили Д., Тили Дж. «Сверхтекучесть и сверхпроводимость» (перевод с английского), Мир, 1977.
• Леггетт А. Дж. «Сверхтекучесть» // Reviews of Modern Physics, 1999.
• Халатников И. М. «Теория сверхтекучести» // Наука, 1971.