Квантова рідина
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Квантова рідина

Квантова рідина, рідина, властивості якої визначаються квантовими ефектами. Прикладом До. ж. є рідкий гелій при температурі, близькій до абсолютного нуля. Квантові ефекти починають виявлятися в рідині при досить низьких температурах, коли довжина хвилі де Бройля для часток рідини, обчислена по енергії їх теплового руху, стає порівнянною з відстанню між ними. Для рідкого гелію ця умова виконується при температурі 3—2 До.

загрузка...

  Згідно з представленнями класичної механіки, з пониженням температури кінетична енергія часток будь-якого тіла повинна зменшуватися. У системі взаємодіючих часток при досить низькій температурі останні здійснюватимуть малі коливання біля положень, відповідних мінімуму потенційної енергії всього тіла. При абсолютному нулі температури вагання повинні припинитися, а частки зайняти строго певні положення, тобто будь-яке тіло повинне перетворитися на кристал. Тому самий факт існування рідин поблизу абсолютного нуля температури пов'язаний з квантовими ефектами. У квантовій механіці діє принцип: чим точніше фіксовано положення частки, тим більше виявляється розкид значень її швидкості (див. Неопределенностей співвідношення ). Отже, навіть при абсолютному нулі температури частки не можуть займати строго певних положень, а їх кінетична енергія не перетворюється на нуль, залишаються так звані нульові коливання. Амплітуда цих коливань тим більше, чим слабкіше за силу взаємодії між частками і менше їх маса. Якщо амплітуда нульових коливань порівнянна з середньою відстанню між частками тіла, то таке тіло може залишитися рідким аж до абсолютного нуля температури.

  Зі всіх речовин при атмосферному тиску лише два ізотопи гелію ( 4 He і 3 He) мають досить малу масу і настільки слабку взаємодію між атомами, що залишаються рідкими поблизу абсолютного нуля і дозволяють тим самим вивчити специфіку. ж. Властивостями До. ж. володіють також електрони в металах.

  До. ж. діляться на бозе-рідіні і фермі-рідіні, згідно з відмінністю у властивостях часток цих рідин і відповідно до вживаних для їх опису статистиків Бозе — Ейнштейна і Фермі — Дираку (див. Статистична фізика ). Бозе-рідіна відома лише одна — рідкий 4 He, атоми якого володіють рівними нулю спином (внутрішнім моментом кількості руху). Атоми рідшого ізотопу 3 He і електрони в металі мають напівцілий спин ( 1 / 2 ), вони утворюють фермі-рідіні.

  Рідкий 4 He був першим різносторонньо дослідженою До. ж. Теоретичні вистави, розвинені для пояснення основних ефектів в рідкому гелії, лягли в основу загальної теорії До. ж. Гелій 4 He при 2,171 До і тиску насиченої пари випробовує фазовий перехід II роду в нове стан Не II із специфічними квантовими властивостями. Само наявність точки переходу зв'язується з появою так званого бозе-конденсату (див. Бозе — Ейнштейна конденсація ), тобто кінцевої долі атомів в змозі з імпульсом, строго рівним нулю. Це новий стан характеризується надтекучістю, тобто протіканням Не II без всякого тертя через вузькі капіляри і щілини. Надтекучість була відкрита П. Л. Капіцей (1938) і пояснена Л. Д. Ландау (1941).

  Згідно з квантовою механікою, будь-яка система взаємодіючих часток може знаходитися лише в певних квантових станах, характерних для всієї системи в цілому. При цьому енергія всієї системи може мінятися лише певними порціями — квантами. Подібно до атома, в якому енергія міняється шляхом випускання або поглинання світлового кванта, в До. ж. зміна енергії відбувається шляхом випускання або поглинання елементарних збуджень, що характеризуються певним імпульсом р , енергією e( р ), залежною від імпульсу, і спином. Ці елементарні збудження відносяться до всієї рідини в цілому, а не до окремих часток і називається через їх властивості (наявність імпульсу, спина і так далі) квазічастинками . Прикладом квазічастинок є звукові збудження в Не II — фонони, з енергією, де  — Планка постійна, що ділиться на 2p, з — швидкість звуку. Поки число квазічастинок мале, що відповідає низьким температурам, їх взаємодія незначна і можна вважати, що вони утворюють ідеальний газ квазічастинок. Розгляд властивостей До. ж. на основі цих виставі виявляється, у відомому сенсі, простішим, ніж властивостей звичайних рідин при високих температурах, коли число збуджень велике і їх властивості не аналогічні властивостям ідеального газу.

  Якщо До. ж. тече з деякою швидкістю u через вузьку трубку або щілину, то її гальмування за рахунок тертя полягає в утворенні квазічастинок з імпульсом, направленим протилежно швидкості течії. В результаті гальмування енергія До. ж. повинна убувати, але не плавно, а певними порціями. Для утворення квазічастинок з необхідною енергією швидкість потоку має бути не менше, ніж u з = min [e( p ) / p ]; цю швидкість називають критичною. До. ж., в яких u з ¹ 0, будуть надплинними, оскільки при швидкостях менших u з , нові квазічастинки не утворюються, і, отже, рідина не гальмується. Передбачений теорією Ландау і експериментально підтверджений енергетичний спектр e( р ) квазічастинок в Не II задовольняє цій вимозі.

  Неможливість освіти при течії з u < u з нових квазічастинок в Не II приводить до своєрідної двохрідинної гідродинаміки. Сукупність наявних в Не II квазічастинок розсівається і гальмується стінками судини, вона складає як би нормальну в'язку частину рідини, тоді як остання рідина є надплинною. Для надплинної рідини характерна поява в деяких умовах (наприклад, при обертанні судини) вихорів з квантованою циркуляцією швидкості надплинної компоненти. У Не II можливе поширення двох типів звуку, з яких 1-й звук відповідає звичайним адіабатичним коливанням щільності, тоді як 2-й звук відповідає коливанням щільності квазічастинок і, отже, температури (див. Другий звук )

  Наявність газу квазічастинок однакова характерний як для бозе-, так і для фермі-рідіні. У фермі-рідіні частину квазічастинок має напівцілий спин і підкоряється статистику Фермі — Дираку, це так називемиє одночасткові збудження. Поряд з ними у фермі-рідіні існують квазічастинки з цілочисельним спином, що підкоряються статистику Бозе, — Ейнштейна, з них найцікавіший «нуль-звук», передбачений теоретично і відкритий в рідкому 3 He (див. Нульовий звук ). Фермі-рідіні діляться на нормальних і надплинних залежно від властивостей спектру квазічастинок.

  До нормальним фермі-рідінам відносяться рідкі 3 He і електрони в ненадпровідних металах, в яких енергія одночасткових збуджень може бути скільки завгодно малою при кінцевому значенні імпульсу, що приводить до u з = 0. Теорія нормальних фермі-рідін була розвинена Л. Д. Ландау (1956—58).

  Єдиною, але дуже важливою надплинною фермі-рідіною є електрони в надпровідних металах (див. Надпровідність ). Теорія надплинної фермі-рідіні була розвинена Дж. Бардіном, Л. Купером і Дж. Шріффером (1957) і Н. Н. Боголюбовим (1957). Між електронами в надпровідниках, згідно цієї теорії, переважає тяжіння, що приводить до освіти з електронів з протилежними, але рівними по абсолютній величині імпульсами зв'язаних пар з сумарним моментом, рівним нулю (див. Купера ефект ). Для виникнення будь-якого одночасткового збудження — розриву зв'язаної пари — необхідно витратити кінцеву енергію. Це приводить, на відміну від нормальних фермі-рідін, до u з ¹ 0, тобто до надтекучості електронної рідини (надпровідності металу). Існує глибока аналогія між надпровідністю і надтекучістю. Як і в 4 He, в надпровідних металах є фазовий перехід II роду, пов'язана з появою бозе-конденсату пара електронів. За певних умов в магнітному полі в так званих надпровідниках II роду з'являються вихори з квантованим магнітним потоком, що є аналогом вихорів в Не II.

  Окрім перерахованих вище До. ж., до них відносяться суміші 3 He і 4 He, які при поступовій зміні співвідношення компонентів утворюють безперервний перехід від фермі- до бозе-рідіні. Згідно з теоретичними виставами, при надзвичайно високому тиску і досить низьких температурах всі речовини повинні переходити в стан До. ж., що можливо, наприклад, в деяких зірках.

  Літ.: Ландау Л. Д. і Ліфшиц Е. М., Статистична фізика, 2 видавництва, М., 1964; Абрикос А. А., Халатників І. М., Теорія фермі-рідіні, «Успіхи фізичних наук», 1958, т. 66, ст 2, с. 177; Фізика низьких температур, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1959; Пайнс Д., Нозьер Ф., Теорія квантових рідин, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1967.

  С. Ст Йорданське.