Kvantvätska

En kvantvätska  är en vätska vars egenskaper bestäms av kvanteffekter . Nära den absoluta nollpunkten , enligt den klassiska fysikens idéer, bör atomernas rörelse stoppas och ämnet ska förvandlas till en kristall, vilket inte händer med vissa ämnen med liten atommassa, stor nollenergi (och följaktligen signifikant noll vibrationer ) och svag interaktion mellan atomer - då att de förblir vätskor beror på kvanteffekter [1] , som förhindrar bildandet av ett kristallgitter - vid normalt tryck förblir helium flytande upp till absoluta noll, kristallint helium kan endast erhållas kl. ett tryck ökat till 25 atmosfärer. En vätska blir kvant när den termiska de Broglie-våglängden för dess partiklar blir jämförbar med avståndet mellan dem ( kvantdegenerering av vätskan inträffar [2] . Beroende på om partiklarna som utgör vätskan är bosoner eller fermioner , kallas vätskor bosoniska eller fermionisk ( Bose-vätska eller Fermi-vätska ).

Kvantvätskor upptäcktes av Peter Kapitsa och John Allen 1938. I princip bildar elektroner i metaller och halvledare, excitoner i dielektrika och nukleoner i atomkärnor kvantvätskor, men flytande helium-4 och helium-3 , som är en bosonisk vätska respektive en fermionisk vätska, anses vara klassiska exempel på sådana. vätskor.

Kvantvätskor uppvisar sina ovanliga egenskaper i tillstånd nära grundtillståndet för kvantminimumenergi . I det här fallet kan vätskans exciterade tillstånd beskrivas som en gas av elementära excitationer - kvasipartiklar , som i sin tur kan vara bosoner (som uppstår en efter en) eller fermioner (som uppstår i par, eftersom vätskans rörelsemängd) kan bara ändras med ett heltal h ). Bose kvasipartiklar förekommer i båda typerna av vätskor, Fermi enbart i Fermi-vätskor. Till skillnad från flytande atomer föds kvasipartiklar ständigt och försvinner i växelverkan med varandra, medan deras fördelning i jämviktstillståndet ges av motsvarande statistik med en ändlig temperatur.

Det speciella med egenskaperna hos kvantvätskor är förknippade med formen på spektrumet av elementära excitationer, det vill säga beroendet av energin hos en kvasipartikel på dess rörelsemängd. Sålunda uppvisar Bose-vätskor egenskapen superfluiditet , associerad med ett linjärt beroende av den elementära excitationsenergin på rörelsemängden vid lågt moment, och i Fermi-vätskor ökar ljuddämpningen med sjunkande temperatur, så att vid absolut noll, vanligt ljud i Fermi-vätskor (buren av Fermi-kvasipartiklar) kan inte fortplanta sig, men det så kallade nollljudet , som bärs av Bose-excitationer av en kvant Fermi-vätska, existerar och kan fortplanta sig.

En annan effekt som uppstår i Fermi kvantvätskor är parningen av kvasipartiklar, som uppstår vid låga temperaturer om kvasipartiklarna attraheras av varandra. I detta fall, under en viss temperatur, bildar kvasipartiklar med motsatt riktade momenta par som beter sig som bosoner och följaktligen uppvisar superfluiditet. Ledningselektroner i en metall är en sorts Fermi-vätska, som påverkas av kristallgittrets periodiska fält [1] . Under förhållanden med extremt låg temperatur kan elektroner kondensera till en kvantvätska av Cooper-par med supraledning .

Superfluid vätskor innehåller Bose-kondensatet av sina beståndsdelar, och det beskrivs av en makroskopisk vågfunktion. Den makroskopiska koherensstorleken för denna kondensatkomponent gör att den kan användas för högprecisionsmätningar, såsom i SQUIDs .

Neutroner i neutronstjärnor kommer sannolikt också att bilda en kvantvätska, möjligen superfluid.

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 Quantum liquid - Physical Encyclopedic Dictionary. — M.: Sovjetiskt uppslagsverk. Chefredaktör A. M. Prokhorov. 1983.
  2. ↑ Quantum liquid - artikel från Physical Encyclopedia i 5 volymer. — M.: Sovjetiskt uppslagsverk. Chefredaktör A. M. Prokhorov. 1988.

Litteratur

Begagnade

Quantum fluid - en artikel från Physical Encyclopedia i 5 volymer. — M.: Sovjetiskt uppslagsverk. Chefredaktör A. M. Prokhorov. 1988.

Rekommenderad
  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk