Superfluiditet

Superfluiditet  är förmågan hos ett ämne i ett speciellt tillstånd ( kvantvätska ) som uppstår vid temperaturer nära absolut noll ( termodynamisk fas ) att strömma genom smala slitsar och kapillärer utan friktion . Fram till nyligen var superfluiditet endast känd för flytande helium , men på 2000 -talet upptäcktes superfluiditet även i andra system: i försålda atomära Bose-kondensat , fast helium .

Superfluiditet förklaras enligt följande. Eftersom helium -4 atomer är bosoner (6 fermioner ger ett heltalsspin ) tillåter kvantmekaniken att ett godtyckligt antal sådana partiklar är i ett tillstånd. Nära absoluta nolltemperaturer är alla heliumatomer i markenergitillståndet. Eftersom energin i tillstånd är diskret, kan en atom inte ta emot någon energi, utan bara en som är lika med energigapet mellan intilliggande energinivåer . Men vid låga temperaturer kan kollisionsenergin vara mindre än detta värde, vilket leder till att energiförlust helt enkelt inte kommer att inträffa. Vätskan kommer att flöda utan friktion.

Upptäcktshistorik

Superfluiditeten av flytande helium-II under lambdapunkten (T = 2,172 K ) upptäcktes experimentellt 1938 av P. L. Kapitza ( 1978 Nobelpris i fysik ) och John Allen . Redan dessförinnan var det känt att flytande helium när man passerar denna punkt upplever en fasövergång , som går från ett helt "normalt" tillstånd (kallat helium-I ) till ett nytt tillstånd av det så kallade helium-II , dock endast Kapitsa visade att helium-II överhuvudtaget flyter (inom experimentella fel) utan friktion.

Teorin om fenomenet superfluid helium-II utvecklades av L. D. Landau ( 1962 Nobelpriset i fysik ) .

Nyckelfakta

Viskositeten för helium-II, mätt med de två experimenten, är mycket olika. Mätning av hastigheten för helium-II-utflöde från kärlet genom ett smalt gap under inverkan av gravitationen visar en mycket låg viskositet (mindre än 10 −12  Pa·s ). Mätning av avklingningstiden för torsionssvängningar hos en skiva nedsänkt i helium-II visar en viskositet som är större än för helium-I ( 10 −6  Pa s ) [1] .

Processen för värmeledning i helium-II skiljer sig mycket från processen för värmeöverföring i en normal vätska - värme leds genom helium-II och vid en godtyckligt liten temperaturskillnad. [ett]

Tvåvätskemodell av helium-II

I tvåvätskemodellen (även känd som "tvåkomponentsmodellen") är helium-II en blandning av två interpenetrerande vätskor: en supervätska och en normal komponent. Den superfluidiska komponenten är faktiskt flytande helium, som är i ett kvantkorrelerat tillstånd, något som liknar tillståndet för ett Bose-kondensat (dock, till skillnad från kondensatet av försålda gasatomer, är interaktionen mellan heliumatomer i en vätska ganska stark, så teorin om ett Bose-kondensat är inte direkt tillämpbar på flytande helium). Denna komponent rör sig utan friktion, har noll temperatur och deltar inte i överföringen av energi i form av värme. Den normala komponenten är en gas av två typer av kvasipartiklar : fononer och rotoner , det vill säga elementära excitationer av en kvantkorrelerad vätska ; den rör sig med friktion och deltar i överföringen av energi.

Vid noll temperatur finns det ingen fri energi i helium som skulle kunna spenderas på skapandet av kvasipartiklar, och därför är helium helt i ett superfluid tillstånd. När temperaturen stiger ökar densiteten hos gasen av kvasipartiklar (först och främst fononer) och andelen av superfluidkomponenten minskar. Nära lambdapunktens temperatur blir koncentrationen av kvasipartiklar så hög att de inte längre bildar en gas, utan en vätska av kvasipartiklar, och slutligen, när temperaturen på lambdapunkten överskrids, förloras den makroskopiska kvantkoherensen, och den superfluidiska komponenten försvinner helt. Den relativa andelen av den normala komponenten visas i fig. 1 .

När helium strömmar genom slitsar med låg hastighet, flyter den superfluidiska komponenten, per definition, runt alla hinder utan förlust av kinetisk energi, det vill säga utan friktion. Friktion kan uppstå om något utsprång av slitsen genererade kvasipartiklar som förde bort vätskans rörelsemängd i olika riktningar. Ett sådant fenomen vid låga flödeshastigheter är emellertid energimässigt ogynnsamt, och först när den kritiska flödeshastigheten överskrids börjar rotoner genereras .

Denna modell förklarar för det första väl olika termomekaniska, ljusmekaniska och andra fenomen som observerats i helium-II, och för det andra är den fast baserad på kvantmekanik .

Viskositeten för helium-II, mätt med hastigheten för dess utflöde från kärlet genom en smal slits under inverkan av gravitationen, visar sig vara mycket låg på grund av det faktum att den superfluidiska komponenten strömmar mycket snabbt genom slitsen utan friktion. Viskositeten för helium-II, mätt med dämpningshastigheten för svängningar av torsionsskivan, visar sig vara icke-noll på grund av det faktum att den normala komponenten saktar ner sin rotation mycket snabbt [1] .

Värmeöverföring i helium-II utförs genom utbredning av ljudvågor, som bär energi i en riktning mer än i motsatt riktning. Den normala komponenten rör sig tillsammans med dem, och den överflytande komponenten som inte överför värme rör sig i motsatt riktning [1] .

Superfluiditet i andra system

• En superfluid modell av atomkärnan har konstruerats, som beskriver experimentdata ganska bra [2] .
• 1995 , i experiment med försålda alkalimetallgaser, uppnåddes temperaturer som var tillräckligt låga för att gasen skulle passera in i tillståndet av ett Bose-Einstein-kondensat . Som förväntat av teoretiska beräkningar, betedde det resulterande kondensatet som en superfluid vätska. I efterföljande experiment fann man att när kroppar rör sig genom detta kondensat med hastigheter mindre än den kritiska, sker ingen energiöverföring från kroppen till kondensatet.
• År 2000 demonstrerade Jan Peter Thoennis vätgas överfluiditet vid 0,15 K [3]
• 2004 tillkännagavs också upptäckten av superfluiditet i fast helium . Efterföljande studier visade dock att situationen långt ifrån är så enkel, och därför är det fortfarande för tidigt att tala om den experimentella upptäckten av detta fenomen.
• Sedan 2004 , baserat på resultaten av ett antal teoretiska arbeten [4] , har det antagits att vid tryck av storleksordningen 4 miljoner atmosfärer och högre, blir väte oförmögen att passera in i den fasta fasen vid någon avkylning (som helium vid normalt tryck), och bildar därigenom en superflytande vätska. Det finns inga direkta experimentella bekräftelser eller motbevisningar ännu.
• Det finns också verk som förutsäger superfluiditet i ett kallt neutron- eller kvarkaggregationstillstånd . Detta kan vara viktigt för att förstå neutron- och kvarkstjärnornas fysik .
• 2005 upptäcktes superfluiditet i en kall förtärnad gas av fermioner [5] .
• Under 2009 påvisades superfluiditet av " supersolid " -typ i en kall förtärd rubidiumgas [6] .

Moderna forskningslinjer

• Turbulens i en superflytande vätska
• Superfluiditet i system med interna frihetsgrader
• Relation mellan supraledande och superfluid fas
• Spin superfluiditet
• Sök efter nya ämnen med superflytande faser

Anteckningar

1. ↑ 1 2 3 4 Andreev A.F. Superfluidity of liquid helium // Skolbarn om modern fysik. Fasta tillståndets fysik. - M., Upplysning , 1975. - sid. 6-20
2. ↑ Superconductivity and superfluidity, 1978 , sid. 127.
3. ↑ Bevis för superfluiditet i paravätekluster inuti helium-4 droppar vid 0,15 Kelvin Arkiverad 26 juli 2008 på Wayback Machine 
4. ↑ Egor Babaev; Asle Sudbo, NW Ashcroft. En supraledare till superfluid fasövergång i flytande metalliskt väte  (eng.) (18 oktober 2004). Hämtad 20 mars 2009. Arkiverad från originalet 28 juli 2017.
5. ↑ Superfluiditet i en kall förtärnad fermiongas . Hämtad 24 juni 2005. Arkiverad från originalet 8 april 2014. (obestämd)
6. ↑ Superfluiditet av typen "Supersolid" i en kall förtärd rubidiumgas . Datum för åtkomst: 19 mars 2009. Arkiverad från originalet den 11 februari 2011. (obestämd)

Se även

• Landau superfluiditetskriterium
• Superledningsförmåga

Länkar

• Landau L.D., Lifshits E.M. Hydrodynamics. — M.: Nauka, 1986, 736 sid.
• Zaiko Yu. N. Utbredning av vågor i en vätska som strömmar i en vätska med elastiska väggar // Letters to ZhTF, 2001, vol. 27, nr. 16, sid. 27-31.
• Zaiko Yu. N. Modell av vätskeflöde i ett kärl med elastiska väggar // Letters to ZhTF, 2002, vol. 28, nr. 24, sid. 15-19.
• PW Carpenter, C. Davis, AD Lucey. Hydrodynamik och följsamma väggar: Har delfinen en hemlighet? //Current Science, 25 september 2000, vol. 70, nr 6, sid. 758-765.
• Shapiro L.S. Skapande och utveckling av en ubåt. Till naturens patent
• Om nollpunktsvängningarnas roll vid bildandet av supraledande och superfluidiska tillstånd
• Superflytande helium

Granska artiklar

• Ginzburg V. L. — Superfluiditet och supraledning i universum
• Dmitriev V. V. Spin superfluidity i ³He, UFN, v.175 (2005), N.1, 85-92

Litteratur

• Kresin VZ Supraledning och superfluiditet. — M .: Nauka, 1978. — 187 sid.
• Bondarev BV Densitetsmatrismetoden i kvantteorin om superfluiditet. - M. : Sputnik, 2014. - 91 sid.
• Tilly D.R., Tilly J. Superfluiditet och supraledning. — M .: Mir, 1977. — 304 sid.
• Patterman S. Hydrodynamics of a superfluid liquid. — M .: Mir, 1978. — 520 sid.

Ordböcker och uppslagsverk	Stor dansk Stor norsk Stor ryss runt världen Britannica (online) Universalis
I bibliografiska kataloger	NDL : 00573671 NKC : ph187932