Физический энциклопедический словарь - сверхтекучесть

Сверхтекучесть ⁴Не. Жидкий гелий ⁴Не становится сверхтекучим ниже темп-ры T=2,17 К, при давлении насыщенных паров ps=38,8 мм рт. ст. Свехтекучий ⁴Не наз. Не II (см. Гелий жидкий), несверхтекучий жидкий ⁴Не наз. He I. С. Не II была открыта П. Л. Капицей в 1938. В 1972—74 было установлено, что С. обладает также жидкий ³Не при темп-ре ниже Tс=2,6•10^-3 К и давлении 2,58•10⁴ мм рт. ст. (34 атм). Переход жидких ⁴Не и ³Не в сверхтекучее состояние представляет собой фазовый переход II рода.

Сверхтекучую жидкость нельзя представлять как жидкость, не обладающую вязкостью, т. к. эксперименты с крутильными колебаниями диска, погружённого в Не II, показали, что вызываемое вязкостью затухание колебаний при темп-ре, не слишком далёкой от Т («лямбда-точки»), мало отличается от затухания аналогичных колебаний в Не I.

Теория сверхтекучести Не II была создана Л. Д. Ландау в 1941. Эта теория, получившая название д в у х ж и д к о с т н о й г и д р о д и н а м и к и, основана на представлении о том, что при низких темп-рах св-ва Не II как слабовозбуждённой квант. системы обусловлены наличием в нём элементарных возбуждений (квазичастиц).

Не II можно представить состоящим из двух взаимопроникающих компонент: нормальной и сверхтекучей. Норм. компонента при темп-рах, не слишком близких к Т, представляет собой совокупность квазичастиц двух типов — фононов и ротонов. При T=0 плотность норм. компоненты n=0, поскольку при этом любая квант. система находится в осн. состоянии и возбуждения (квазичастицы) в ней отсутствуют. При темп-рах от абс. нуля до 1,7—1,8 К совокупность элем. возбуждений в Не II можно рассматривать как идеальный газ квазичастиц. С дальнейшим приближением к Т из-за заметно усиливающегося вз-ствия квазичастиц модель идеального газа для них становится неприменимой. Вз-ствие квазичастиц между собой и со стенками сосуда обусловливает вязкость норм. компоненты. Остальная часть Не II — сверхтекучая компонента — вязкостью не обладает и поэтому свободно протекает через узкие щели и капилляры; её плотность s=-n, где  — плотность жидкости. При Т=0 s=, с ростом темп-ры концентрация квазичастиц растёт, поэтому s уменьшается и, наконец, обращается в нуль при Т=Т (С. в -точке исчезает, рис. 1). Согласно теории Ландау, жидкость перестаёт быть сверхтекучей и в случае, когда скорость её потока превышает критич. значение, при к-ром начинается спонтанное образование ротонов. При этом

Рис. 1. Диаграмма, иллюстрирующая двухжидкостную модель Не II (n/ — отношение плотности норм. компоненты к плотности Не II).

сверхтекучая компонента теряет импульс, равный импульсу испускаемых ротонов, и, следовательно, тормозится. Однако эксперим. значение критич. скорости существенно меньше того, к-рое требуется по теории Ландау для разрушения С.

С микроскопич. точки зрения появление С. в жидкости, состоящей из атомов с целым спином (бозонов), напр. атомов ⁴Не, связано с переходом при T<T значит. числа атомов в состояние с нулевым импульсом. Это явление наз. Бозе — Эйнштейна конденсацией, а совокупность перешедших в новое состояние атомов — Бозе-конденсатом. Состояние всех ч-ц Бозе-конденсата описывается одной и той же квантовомеханич. волновой ф-цией (конденсатной ф-цией) =n0^1/2ei, где n0 — плотность конденсата,  — фаза волновой ф-ции. Появление нового типа движения в жидкости — когерентного движения макроскопич. числа ч-ц с одной и той же фазой  приводит к двухжидкостной гидродинамике Ландау (Н. Н. Боголюбов; 1947, 1963). В случае, если атомы слабо взаимодействуют между собой, s совпадает с n0. В Не II вз-ствие атомов приводит к тому, что n0 составляет лишь неск. процентов s. Тем не менее скорость движения всей сверхтекучей компоненты vs связана с  соотношением vs=(ћ/m)∆, где ∆ — градиент функции , m -масса атома ⁴Не, ћ=h/2. Это означает, что сверхтекучая компонента движется потенциально (см. Потенциальное течение) и, следовательно, не испытывает сопротивления со стороны обтекаемых ею предметов и стенок канала или сосуда.

Конденсатная ф-ция  должна быть непрерывной, поэтому её фаза  при обходе по замкнутому контуру может меняться лишь на 2N, где N — целое число. Это означает, что циркуляция скорости сверхтекучей компоненты по любому замкнутому контуру может принимать только дискретные значения N•hlm. Поэтому сверхтекучая компонента — это не просто идеальная жидкость с потенц. течением, она обладает особыми макроскопич. квантовыми св-вами. Во-первых, при течении сверхтекучей компоненты по каналу, замкнутому в кольцо, циркуляция скорости vs вдоль канала квантуется с квантом циркуляции h/m. Под влиянием внеш. воздействия скорость течения не может уменьшаться непрерывно, а только скачком. В процессе скачкообразного перехода от течения с N квантами циркуляции к течению с N-1 квантами требуется разрушить сверхтекучее состояние (обратить s в нуль) в нек-рой области и, следовательно, преодолеть большой потенц. барьер. Поэтому течение в замкнутом канале чрезвычайно устойчиво. Во-вторых, в сверхтекучей компоненте могут существовать т. н. квантованные вихри (Л. Онсагер, 1948; Р. Фейнман, 1955, США) с циркуляцией вокруг оси вихря, принимающей дискретные значения. В отличие от вихрей в обычной жидкости (см. Вихревое движение), эти вихри устойчивы и не исчезают под влиянием вязкости норм. компоненты. На оси этих вихрей , а вместе с ней и s обращаются в нуль. Квантованные вихри осуществляют вз-ствие между сверхтекучей и норм. компонентами сверхтекучей жидкости. Их рождение приводит хотя и к слабому, но конечному затуханию потока сверхтекучей жидкости в замкнутом канале. При нек-рой скорости движения сверхтекучей компоненты относительно норм. компоненты или стенок сосуда квантованные вихри образуются столь интенсивно, что сверхтекучая компонента начинает испытывать трение со стороны норм. компоненты или стенок сосуда. В рамках этой теории С. пропадает при скоростях, существенно меньших скоростей по теории Ландау и более близких к реальным значениям критич. скорости. Квантованные вихри наблюдаются экспериментально при вращении сосуда с Не II. При достаточно большой угл. скорости  вращения сосуда они образуют вихревую систему со ср. скоростью ,vs, совпадающей со скоростью твердотельного вращения [, r]. Кроме того, в экспериментах с ионами, инжектируемыми в Не II, обнаружены квантованные вихри, имеющие форму кольца.

Сверхтекучесть ³Не. Атомы ³Не обладают полуцелым спином, т. е. они— фермионы, а ³Не — ферми-жидкость. Если между фермионами имеются си-

663

лы притяжения, приводящие к образованию попарно связанных фермионов, т. н. куперовских пар (см. Купера эффект), то такие пары обладают целочисленным спином. По этому признаку они — бозоны и могут образовывать Бозе-конденсат. Силы вз-ствия между ч-цами в ³Не таковы, что лишь при темп-рах порядка неск. мК в ³Не создаются условия для образования куперовских пар и возникновения С. Открытию С. у ³Не способствовало освоение эфф. методов получения низких темп-р — Померанчука эффекта и магнитного охлаждения. С их помощью удалось выяснить характерные особенности диаграммы состояния ³Не при сверхнизких темп-рах (рис. 2).

Рис. 2. Диаграмма состояния ³Не при низких темп-рах, р — давление, Н — магн. поле.

В отличие от ⁴Не (см. рис. 1 в ст. Гелий жидкий), на диаграмме состояния ³Не обнаружены две сверхтекучие фазы (А и В). Переход норм. ферми-жидкости в любую из этих фаз представляет собой фазовый переход II рода. Переход из сверхтекучей фазы А в сверхтекучую фазу В относится к фазовым переходам I рода. В магн. поле линия перехода из несверхтекучей фазы в фазу А расщепляется на две линии, каждая из к-рых явл. линией перехода 2-го рода. В области между линиями возникает ещё одна фаза (A1). Во всех трёх фазах образовавшиеся куперовские пары обладают спином s=1 и орбитальным квант. числом L=1. Фазы различаются по структуре волновой ф-ции куперовской пары, к-рая определяет как сверхтекучие, так и магн. св-ва фазы. В фазе В у куперовских пар в среднем нет выделенных направлений спина и орбит. момента импульса. По сверхтекучим св-вам B-фаза эквив. Не II, а по магн. св-вам напоминает изотропный антиферромагнетик. В фазе А куперовская пара имеет ср. направление l орбит. момента импульса, к-рое в равновесии одинаково для всех пар в жидкости, поскольку эти пары образуют Бозе-конденсат. В случае, если l не меняется в пр-ве (напр., фиксируется границей сосуда или внеш. полями), сверхтекучие св-ва фазы А отличаются от св-в Не II лишь тем, что фаза А анизотропна с осью анизотропии вдоль l и коэфф., входящие в ур-ния двухжидкостной гидродинамики Ландау, в т. ч. плотности норм. и сверхтекучей компонент, явл. тензорами. В общем случае, когда l может меняться в пр-ве, осн. отличие фазы А от Не II заключается в том, что скорость сверхтекучей компоненты vs не явл. потенциальной. Циркуляция vs по замкнутому контуру зависит от изменения в пр-ве вектора l. Это приводит к тому, что торможение потока сверхтекучей компоненты может осуществляться не только за счёт образования квантованных вихрей, как в Не II, но и непрерывно, путём осцилляции вектора l в канале. На поверхности канала, где вектор l фиксирован, торможение осуществляется посредством движения точечных дефектов — буджумов. При вращении сосуда может возникать как система квантованных вихрей, так и периодич. структура с непрерывным распределением l и vs. По магн. св-вам фаза А напоминает одноосный антиферромагнетик. Кроме того, поскольку орбит. момент куперовских пар частично передаётся эл-нам атомов ³Не, фаза А обладает также слабым (10^-11 магнетонов Бора на атом) спонтанным магн. моментом, направленным по l, и явл. пока единственным известным жидким ферромагнетиком.

Эффекты, сопутствующие сверхтекучести. В сверхтекучей жидкости, кроме обычного (первого) звука (колебаний плотности), может распространяться т. н. второй звук, представляющий собой звук в газе квазичастиц (колебания плотности квазичастиц, следовательно, и темп-ры). Возможны и иные виды колебаний: капиллярные волны, звук. колебания сверхтекучей части жидкости в узких капиллярах (т. н. четвёртый звук) и др. Сверхтекучая жидкость обладает аномально высокой теплопроводностью, причиной к-рой явл. конвекция — теплота переносится макроскопич движением газа квазичастиц. При нагревании Не II в одном из сообщающихся (через капилляр) сосудов между сосудами возникает разность давлений (термомеханический эффект). Этот эффект объясняется тем, что в сосуде с большей темп-рой повышена концентрация квазичастиц. Из-за того, что узкий капилляр не пропускает вязкого потока норм. компоненты, возникает избыточное давление газа квазичастиц, подобное осмотическому давлению в р-ре. Существует и обратный эффект (т. н. механокалорический эффект): при быстром вытекании Не II из сосуда через капилляр темп-ра внутри сосуда повышается (в нём увеличивается концентрация квазичастиц), а вытекающий гелий охлаждается. Интересными св-вами обладает сверхтекучая

плёнка гелия, образующаяся на твёрдой стенке сосуда. Так, напр., она может выравнивать уровни Не II в сосудах, имеющих общую стенку.

• Капица П. Л., Эксперимент, теория, практика, 2 изд., М., 1977; Квантовые жидкости и кристаллы. Сб. ст., пер. с англ., М., 1979; Паттерман С., Гидродинамика сверхтекучей жидкости, пер. с англ., М., 1978; Халатников И. М., Теория сверхтекучести, М., 1971; Мендельсон К., На пути к абсолютному нулю, пер. с англ., М., 1971; Quantum liquids, ed. by 3. Ruvalds and T. Regge, Amst,—N.Y.— Oxf., 1978. Г. Е. Воловик.

СВЕРХТОНКАЯ СТРУКТУРА (сверхтонкое расщепление уровней энергии),

расщепление уровней энергии атома на близко расположенные подуровни, вызванное вз-ствием магн. момента ядра с магн. полем атомных эл-нов. Энергия ξ этого вз-ствия зависит от возможных взаимных ориентации спина ядра и электронных спинов. Число этих ориентации определяет число компонент С. с. Уровни энергии могут также расщепляться и смещаться в результате вз-ствия квадрупольных моментов ядер с электрич. полем эл-нов.

Расстояние между подуровнями С. с. ~ в 1000 раз меньше, чем между уровнями тонкой структуры, т. к. ξξ~ в 1000 раз меньше энергии спин-орбитального взаимодействия, вызывающего тонкое расщепление. Вследствие С. с. уровней в спектре атома вместо одной спектральной линии появляется группа близко расположенных линий — С. с. спектр. линии.

С. с. спектр. линии может усложняться также вследствие отличия частот спектр. линий изотопов хим. элемента — изотопич. смещения. При этом происходит наложение спектр. линий разл. изотопов, из смеси к-рых состоит элемент. Изотопич. смещение для тяжёлых элементов того же порядка, что и ξ. С. с. может наблюдаться также в спектрах молекул и кристаллов.

СВЕТ, 1) в узком смысле — то же, что и видимое излучение, т. е. эл.-магн. волны в интервале частот, воспринимаемых человеческим глазом (7,5X10¹⁴—4,0•10¹⁴ Гц), что соответствует длинам волн в вакууме от ~400 до ~760 нм. С. очень высокой интенсивности глаз воспринимает в несколько более широком диапазоне. Световые волны разл. частот воспринимаются человеком как разл. цвета (подробнее см. в ст. Колориметрия).

2) С. в широком смысле — синоним оптического излучения, включающего, кроме видимого, излучение УФ и ИК областей спектра.

А. П. Гагарин.