Szupra folyékonyság

A szuperfolyékonyság  egy speciális állapotú ( kvantumfolyadék ) anyag azon képessége, amely az abszolút nullához közeli hőmérsékleten ( termodinamikai fázis ) fordul elő, hogy szűk réseken és kapillárisokon súrlódás nélkül áramoljon át . Egészen a közelmúltig a szuperfolyékonyságot csak a folyékony héliumról ismerték , a 2000-es években azonban más rendszerekben is felfedezték a szuperfolyékonyságot: ritka atomi Bose kondenzátumokban , szilárd héliumban .

A szuperfolyékonyság magyarázata az alábbiak szerint történik. Mivel a hélium - 4 atomok bozonok (6 fermion egész spint ad ), a kvantummechanika lehetővé teszi, hogy tetszőleges számú ilyen részecske legyen egy állapotban. Az abszolút nulla hőmérséklethez közel minden hélium atom földi energiaállapotban van. Mivel az állapotok energiája diszkrét, egy atom nem kaphat energiát, csak olyat, amely egyenlő a szomszédos energiaszintek közötti energiaréssel . De alacsony hőmérsékleten az ütközési energia kisebb lehet, mint ez az érték, aminek következtében az energiaeloszlás egyszerűen nem következik be. A folyadék súrlódás nélkül fog folyni.

Felfedezési előzmények

A folyékony hélium-II szuperfolyékonyságát a lambda-pont alatt (T = 2,172 K ) 1938-ban fedezte fel kísérleti úton P. L. Kapitza ( 1978. fizikai Nobel-díjas ) és John Allen . Már azelőtt is ismert volt, hogy a folyékony hélium ezen a ponton áthaladva fázisátalakuláson megy keresztül, egy teljesen „normális” állapotból (úgynevezett hélium-I ) az úgynevezett hélium-II új állapotába kerül át , azonban csak Kapitsa kimutatta, hogy a hélium-II egyáltalán (a kísérleti hibákon belül) súrlódás nélkül folyik.

A szuperfolyékony hélium-II jelenségének elméletét L. D. Landau ( 1962 -es fizikai Nobel-díj ) dolgozta ki .

Főbb tények

A két kísérletben mért hélium-II viszkozitása nagyon eltérő. Az edényből egy keskeny résen gravitáció hatására kiáramló hélium-II sebességének mérése nagyon alacsony viszkozitást mutat (kevesebb, mint 10-12 Pa  ·s ). A hélium-II-be merített korong torziós rezgésének lecsengési idejének mérése nagyobb viszkozitást mutat, mint a hélium-I-é ( 10-6  Pa s ) [1 ] .

A hélium-II hővezetési folyamata nagyon különbözik a normál folyadék hőátadási folyamatától - a hőt a hélium-II-n keresztül vezetik tetszőlegesen kis hőmérséklet-különbség mellett. [egy]

A hélium-II kétfolyadékos modellje

A kétfolyadékos modellben (más néven "kétkomponensű modell") a hélium-II két egymással áthatoló folyadék keveréke: egy szuperfluid és egy normál komponens. A szuperfolyékony komponens valójában a folyékony hélium, amely kvantumkorrelált állapotban van, némileg hasonló a Bose kondenzátum állapotához (a ritka gázatomok kondenzátumával ellentétben azonban a hélium atomok közötti kölcsönhatás folyadékban meglehetősen erős, így a Bose kondenzátum elmélete nem alkalmazható közvetlenül a folyékony héliumra). Ez az alkatrész súrlódás nélkül mozog, nulla hőmérsékletű, és nem vesz részt az energia hő formájában történő átvitelében. A normál komponens kétféle kvázirészecske gáza: fononok és rotonok , azaz egy kvantumkorrelált folyadék elemi gerjesztései ; súrlódással mozog és részt vesz az energiaátvitelben.

Nulla hőmérsékleten a héliumban nincs szabad energia, amelyet kvázirészecskék létrehozására lehetne fordítani, ezért a hélium teljesen szuperfolyékony állapotban van. A hőmérséklet emelkedésével a kvázirészecskék (elsősorban a fononok) gázának sűrűsége növekszik, és a szuperfolyékony komponens frakciója csökken. A lambda-pont hőmérséklete közelében a kvázirészecskék koncentrációja annyira megnő, hogy már nem gázt, hanem kvázirészecskékből álló folyadékot képeznek, végül a lambda-pont hőmérsékletének túllépésével a makroszkopikus kvantumkoherencia elveszik, ill. a szuperfolyékony komponens teljesen eltűnik. A normál komponens relatív arányát az ábra mutatja. 1 .

Amikor a hélium kis sebességgel áramlik át a réseken, a szuperfolyékony komponens értelemszerűen minden akadály körül áramlik anélkül, hogy kinetikus energiát veszítene, azaz súrlódás nélkül. Súrlódás keletkezhet, ha a rés bármely kiemelkedése kvázi részecskéket generál, amelyek különböző irányokba viszik el a folyadék lendületét. Azonban egy ilyen jelenség alacsony áramlási sebességeknél energetikailag kedvezőtlen, és csak a kritikus áramlási sebesség túllépése esetén kezdenek rotonok keletkezni .

Ez a modell egyrészt jól magyarázza a hélium-II-ben megfigyelt különféle termomechanikai, fénymechanikai és egyéb jelenségeket, másrészt szilárdan a kvantummechanikán alapul .

A hélium-II viszkozitása, amelyet a gravitáció hatására az edényből egy keskeny résen keresztül történő kiáramlás sebességével mérünk, nagyon alacsonynak bizonyul, mivel a szuperfolyékony komponens nagyon gyorsan, súrlódás nélkül áramlik át a résen. A hélium-II viszkozitása, amelyet a torziós tárcsa rezgésének csillapítási sebességével mérünk, nem nulla, mivel a normál komponens nagyon gyorsan lelassítja a forgását [1] .

A hélium-II hőátadása hanghullámok terjedésével megy végbe, az egyik irányba több energiát szállítva, mint az ellenkező irányba. A normál komponens velük együtt mozog, a hőt nem átadó szuperfolyékony komponens pedig az ellenkező irányba [1] .

Szuperfolyékonyság más rendszerekben

• Elkészült az atommag szuperfluid modellje, amely elég jól leírja a kísérleti adatokat [2] .
• 1995 - ben ritka alkálifémgázokkal végzett kísérletek során olyan hőmérsékletet értek el, amely elég alacsony volt ahhoz, hogy a gáz Bose-Einstein kondenzátum állapotába kerüljön . Ahogyan az elméleti számításokból várható volt, a keletkező kondenzátum szuperfolyékony folyadékként viselkedett. A későbbi kísérletekben azt találták, hogy amikor a testek a kritikusnál kisebb sebességgel haladnak át ezen a kondenzátumon, nem történik energiaátvitel a testből a kondenzátumba.
• 2000 -ben Jan Peter Thoennis bemutatta a hidrogén szuperfolyékonyságát 0,15 K-en [3]
• 2004 - ben bejelentették a szilárd hélium szuperfolyékonyságának felfedezését is . A későbbi vizsgálatok azonban azt mutatták, hogy a helyzet korántsem ilyen egyszerű, ezért még korai ennek a jelenségnek a kísérleti felfedezéséről beszélni.
• 2004 óta számos elméleti munka [4] eredményei alapján feltételezték, hogy 4 millió atmoszféra körüli és annál nagyobb nyomáson a hidrogén nem tud átjutni a szilárd fázisba bármilyen lehűlés hatására (például hélium normál nyomás), ezáltal szuperfolyékony folyadék keletkezik. Közvetlen kísérleti megerősítés vagy cáfolat egyelőre nincs.
• Vannak olyan munkák is, amelyek szuperfluiditást jósolnak hideg neutron vagy kvark aggregáció esetén . Ez fontos lehet a neutron- és kvarkcsillagok fizikájának megértéséhez .
• 2005 -ben szuperfolyékonyságot fedeztek fel fermionok hideg ritkított gázában [5] .
• 2009 -ben „ szuperszilárd ” típusú szuperfolyékonyságot mutattak ki egy hidegen ritkított rubídium gázban [6] .

Modern kutatási irányok

• Turbulencia szuperfolyékony folyadékban
• Szuperfolyékonyság belső szabadságfokkal rendelkező rendszerekben
• A szupravezető és a szuperfolyékony fázisok kapcsolata
• Spin szuperfolyékonyság
• Szuperfolyékony fázisú új anyagok keresése

Jegyzetek

1. ↑ 1 2 3 4 Andreev A.F. A folyékony hélium szuperfolyékonysága // Iskolás gyerekek a modern fizikáról. Szilárdtestfizika. - M., Felvilágosodás , 1975. - p. 6-20
2. ↑ Szupravezetés és szuperfluiditás, 1978 , p. 127.
3. ↑ Bizonyítékok szuperfolyékonyságra a hélium-4 cseppekben lévő parahidrogén klaszterekben 0,15 Kelvinnél Archiválva 2008. július 26-án a Wayback Machine -nél 
4. ↑ Egor Babaev; Asle Sudbo, NW Ashcroft. Fázisátmenet szupravezetőből szuperfolyadékba folyékony fémhidrogénben  (Eng.) (2004. október 18.). Letöltve: 2009. március 20. Az eredetiből archiválva : 2017. július 28.
5. ↑ Szuperfolyékonyság hideg ritkított fermion gázban . Letöltve: 2005. június 24. Az eredetiből archiválva : 2014. április 8.. (határozatlan)
6. ↑ "Szuperszilárd" típusú szuperfolyékonyság hidegen ritkított rubídium gázban . Hozzáférés dátuma: 2009. március 19. Az eredetiből archiválva : 2011. február 11. (határozatlan)

Lásd még

• Landau szuperfolyékonysági kritérium
• Szupravezetés

Linkek

• Landau L.D., Lifshits E.M. Hydrodynamics. — M.: Nauka, 1986, 736 p.
• Zaiko Yu. N. Hullámok terjedése rugalmas falú folyadékban folyó folyadékban // Levelek ZhTF-nek, 2001, 27. kötet, 2. sz. 16. o. 27-31.
• Zaiko Yu. N. A folyadékáramlás modellje rugalmas falú edényben // Levelek ZhTF-nek, 2002, 28. köt. 24. o. 15-19.
• PW Carpenter, C. Davis, AD Lucey. Hidrodinamika és megfelelő falak: van titka a delfinnek? //Aktuális Tudomány, 2000. szeptember 25., 1. évf. 70, 6. szám, pp. 758-765.
• Shapiro L.S. Tengeralattjáró létrehozása és fejlesztése. A természet szabadalmaihoz
• A nullponti rezgések szerepéről a szupravezető és szuperfolyékony állapotok kialakulásában
• Szuperfolyékony hélium

Cikkek áttekintése

• Ginzburg V. L. – Szuperfolyékonyság és szupravezetés az univerzumban
• Dmitriev V. V. Spin superfluidity in ³He, UFN, v.175 (2005), N.1, 85-92

Irodalom

• Kresin VZ Szupravezetés és szuperfolyékonyság. — M .: Nauka, 1978. — 187 p.
• Bondarev BV . A sűrűségmátrix módszer a szuperfluiditás kvantumelméletében. - M. : Szputnyik, 2014. - 91 p.
• Tilly D.R., Tilly J. Szuperfolyékonyság és szupravezetés. — M .: Mir, 1977. — 304 p.
• Patterman S. Egy szuperfolyékony folyadék hidrodinamikája. — M .: Mir, 1978. — 520 p.

Szótárak és enciklopédiák	Nagy dán Nagy norvég Nagy orosz a világ körül Britannica (online) Universalis
Bibliográfiai katalógusokban	NDL : 00573671 NKC : ph187932