к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Гелий жидкий

Жидкие 3He и 4He (и их растворы) - единственные в природе жидкости, не затвердевающие при абс. нуле температуры (при атм. давлении). Благодаря малой массе атомов гелия и характерному для атомов благородных газов слабому притяжению между ними при понижении температуры квантовые эффекты в жидком гелии ("нулевые колебания" атомов при T=0)препятствуют его кристаллизации. 3He и 4He - квантовые жидкости: при 1119922-70.jpg2 К квантовые эффекты определяют поведение этих жидкостей и различие их свойств, вызванное различием в квантовой статистике, к-рой подчиняются ансамбли из атомов 3He и 4He. Жидкий 4He - бозе-жидкость, т. к. его атомы - бозоны; их спин равен нулю, они подчиняются Бозе - Эйнштейна статистике. Жидкий 3He, состоящий из фермионов - атомов со спином 1119922-71.jpg, подчиняющихся Ферми - Дирака статистике, является ферми-жидкостью.

С понижением температуры T жидкий 4He при 1119922-72.jpg (в т. н. 1119922-73.jpg-точке) испытывает фазовый переход 2-го рода, новую фазу называют Не II. Темп-ра 1119922-74.jpg=2,17 К соответствует давлению насыщенных паров жидкого гелия, с ростом давления 1119922-75.jpg уменьшается (рис. 1). Не II обладает аномально высокой теплопроводностью и сверхтекучестью (П. Л. Капица, 1938). Вязкость Не II, измеренная методом колеблющегося диска, тем не менее отлична от нуля и вблизи 1119922-76.jpg мало отличается от вязкости нормального (несверхтекучего) 4He. Это противоречие разрешается в квантовой теории сверхтекучести (двухжидкостная модель Не II) согласно которой Не II состоит из двух компонентов: нормального и сверхтекучего. Сверхтекучий компонент - идеальная жидкость с потенциальным течением - не обладает энтропией и не испытывает сопротивления при протекании сквозь узкие капилляры. Её плотность 1119922-85.jpg совпадает с полной плотностью жидкости 1119922-86.jpg при T=0 К и уменьшается с ростом T до нуля при 1119922-87.jpg (рис. 2). Нормальный компонент - остальная часть жидкости с плотностью 1119922-88.jpg- ведёт себя как обычная вязкая жидкость, что приводит к затуханию колеблющегося в Не II диска. При темп-pax, близких к абс. нулю, нормальный компонент представляет собой газ возбуждений в идеальной жидкости (газ фононов и ротонов; спектр возбуждений Не II, полученный в экспериментах по рассеянию нейтронов в Не II, приведён на рис. 3). Аномально высокая теплопроводность Не II связана с тем, что теплота в нём может переноситься движением нормального компонента при отсутствии полного потока массы, к-рый компенсируется противотоком сверхтекучего компонента, не несущего теплоты. Благодаря такому механизму переноса теплоты в Не II кроме обычного (первого) звука существует второй звук - температурные волны. Двухжидкостная модель объясняет большинство др. эффектов, присущих сверхтекучей жидкости: механокалорический эффект; термомеханический эффект; существование критич. скорости течения, начиная с к-рой сверхтекучий компонент испытывает трение; существование плёнки на стенках сосуда, благодаря к-рой выравниваются уровни Не II в сосудах, разделённых стенкой; третий звук, четвёртый звук и др. (см. Звук в сверхтекучем гелии).

1119922-77.jpg

Рис. 1. Диаграмма состояния 4Не: 1 -твердый 4He, 2 - кривая плавления, 3 - жидкий HeII, 4 -1119922-78.jpg-линия (линия 1119922-79.jpg-точек), S - жидкий HeI, 6 - кривая испарения, 7 - критическая точка, 8 - газообразный 4He.


1119922-80.jpg

Рис. 2. Температурная зависимость относительного содержания 1119922-81.jpg сверхтекучего компонента в Не II. При критической температуре Tl значение 1119922-82.jpg= 0.


1119922-83.jpg

Рис. 3. Спектр возбуждений в HeII, измеренный в нейтронных экспериментах; 1119922-84.jpg- анергия квазичастицы, р - ее импульс.

Существование двух видов течений в Не II является следствием квантовой статистики Бозе - Эйнштейна [Л. Тиса (L. Tisza), 1938]. Это доказано на модели слабонеидеального бозе-газа (H. H. Боголюбов, 1947), в к-ром при понижении температуры происходит бозе-конденсация: накопление в одном квантовом состоянии с наименьшей энергией макроскопич. числа бозонов.

В результате бозе-конденсации в жидкости возникает сверхтекучий компонент - макроскопич. фракция жидкости, движение частиц к-рой когерентно, т. е. описывается единой квантовомеханич. волновой функцией 1119922-89.jpg (см. Когерентность, Квантовая жидкость). Течение сверхтекучего компонента потенциально (см. Потенциальное течение ),т. к. его скорость 1119922-90.jpg связана с фазой волновой функции 1119922-91.jpg квантовомеханич. соотношением 1119922-92.jpg (т - масса бозона), справедливым для Не II при m-m4, где m4 - масса атома 4He.

Макроскопич. когерентность приводит также к следствиям, отличающим сверхтекучий компонент от просто идеальной жидкости с потенциальным течением. Из-за непрерывности конденсатной функции 1119922-93.jpg её фаза1119922-94.jpg при обходе по замкнутому контуру может меняться на 1119922-95.jpg, где N - целое число. Это означает, что циркуляция сверхтекучей скорости 1119922-96.jpg по любому замкнутому контуру принимает дискретные значения 1119922-97.jpg . В топологически односвязном сосуде (цилиндрич., сферич. и др.) К может быть отличным от нуля только при обходе вокруг особых линий, на к-рых сверхтекучесть нарушена (т. е. 1119922-98.jpg=0),- т. н. квантованных вихрей [Л. Онсагер (L. Onsager), 1949; P. Фейнман (R. Feynman), 1955]. Квантованные вихри отличаются от вихрей в нормальной жидкости (см. Вихревое движение)тем, что циркуляция К вокруг них квантована (квант циркуляции равен h/m)и поэтому квантованные вихри устойчивы и не размываются при наличии вязкости. Квантованные вихри не могут оканчиваться внутри сосуда, они либо пронизывают всю толщу жидкости, либо образуют замкнутые вихревые кольца. Вихревые кольца обнаружены в экспериментах с ионами, инжектируемыми в Не II. Квантованные вихри с прямолинейными осями обнаружены в экспериментах с вращающимся сосудом, где они образуют двухмерную периодич. решётку (за счёт отталкивания вихрей). Вихревое движение сверхтекучего компонента имитирует его вращение вместе с сосудом, т. е. наличие квантованных вихрей создаёт в ср. картину, аналогичную вращению нормальной жидкости вместе с сосудом.

В топологически неодносвязном сосуде, напр. в замкнутом кольцевом канале, циркуляция К может быть отлична от нуля без нарушения сверхтекучести. Течения в канале с 1119922-99.jpg чрезвычайно устойчивы в силу дискретного характера К и могут циркулировать сутками. Cp. скорость течения жидкости в канале не может изменяться непрерывно, поскольку это привело бы к непрерывному изменению циркуляции. Уменьшение К возможно лишь скачками - с изменением N на целое число за счёт рождения квантованных вихрей. Этот процесс требует энергетич. затрат, и его вероятность мала.

Жидкий 3He - ферми-жидкость, свойства к-рой при T1119922-100.jpg0,1 К хорошо описываются теорией ферми-жидкости. Согласно этой теории, ферми-жидкость можно представить как систему квазичастиц, подчиняющихся статистике Ферми - Дирака и заполняющих квантовые состояния внутри ферми-поверхности в импульсном пространстве. Наличие ферми-поверхности определяет осн. свойства ферми-жидкости при низких темп-pax: её теплоёмкость пропорциональна T, магнитная восприимчивость не зависит от T, вязкость с уменьшением температуры растёт как 1/Т2. В ферми-жидкости могут существовать высокочастотные звуки, связанные с колебаниями ферми-поверхности (см. Нулевой звук ).В 3He наблюдаются два нулевых звука: продольный и поперечный.

1119922-101.jpg

С понижением температуры при T= ТС жидкий 3He испытывает фазовый переход 2-го рода в сверхтекучее состояние [Д. Ошеров (D. Osheroff), P. Ричардсон (R. Richardson), Д. Ли (D. Lee), 1972]. Критич. температура ТС=2,6 мК (на кривой плавления), она уменьшается с понижением давления р до TC=0,9 K при р=0. Имеются три сверхтекучие фазы А, В и A1: фазы А и В разделены на фазовой диаграмме (рис. 4) кривой фазового перехода 1-го рода, фаза A1 существует только в магн. поле.

Сверхтекучесть 3He, как и сверхпроводимость электронов в металле - следствие Купера эффекта (образования пар квазичастиц с противоположными импульсами на ферми-поверхности). Куперовские пары являются бозонами (спин пары равен О в сверхпроводниках и 1 в сверхтекучих фазах 3He) и образуют бозе-конденсат. В отличие от электронных куперовских пар в сверхпроводниках с L=0 (нулевым моментом импульса относительного движения квазичастиц в паре), у куперовских пар во всех сверхтекучих фазах L=1. Куперовские пары различных сверхтекучих фаз 3He отличаются проекциями спина и момента импульса на направление осей квантования. В силу макроскопич. когерентности все Куперовские пары в бозе-конденсате имеют общее направление осей квантования спина и общее направление осей квантования момента импульса. Поэтому сверхтекучие фазы 3He

обладают пространственной (т. н. орбитальной) и магнитной анизотропией, т. е. являются одновременно жидкими кристаллами и упорядоченными магнетиками. Последнее позволяет применять для исследования сверхтекучих фаз методы ЯМР (магн. момент атомов 3He сосредоточен в ядрах). Динамика ядерных магн. моментов сверхтекучих фаз и частоты продольного и поперечного ЯМР определяются ур-ниями Леггетта (A. Leggett, 1974).

Структура куперовских пар в фазах А, В и A1 разная, поэтому сверхтекучие, магн. и жидкокристаллич. свойства этих фаз различны.

А-фаза 3He обладает осью магн. анизотропии и осью орбитальной жидкокристаллич. анизотропии, характеризуемыми единичными векторами d и l, Векторы d и l являются осями квантования соответственно спинового и орбитального моментов импульса куперовских пар. Проекция спина пары S на ось d равна нулю, т. е. спины пар равновероятно ориентированы в плоскости, перпендикулярной к d, так что ср. ядерный магн. момент у пары отсутствует и А-фаза является жидким одноосным антиферромагнетиком .Магн. восприимчивость А-фазы совпадает с магн. восприимчивостью нормального 3He. Проекция орбитального момента пары L на ось l равна 1, т. е. орбитальные моменты всех пар направлены по l. Kуперовские пары частично вовлекают во вращат. движение электроны атомов, в результате А-фаза обладает небольшим электронным ферромагн. моментом (~10-11 магнетонов Бора на атом), направленным вдоль l, и является жидким ферромагнетиком.

Направления осей d и l произвольны, т. е. состояния А-фазы вырождены по энергии относительно поворотов этих осей. Вырождение снимается внеш. магн. полем, ориентирующим d перпендикулярно полю; граничными условиями, ориентирующими l по нормали к границе; сверхтекучим потоком, ориентирующим l вдоль потока; слабым спин-орбитальным взаимодействием, ориентирующим l и d параллельно друг другу. Если ориентирующие взаимодействия конкурируют между собой, возникают текстуры: неоднородные в пространстве распределения полей l(rd(r)[на рис. 5, а изображена текстура l(r), возникающая в магн. поле, перпендикулярном границе; поле l изображено стрелками]. Плавное изменение поля l в текстуре обеспечивается макроскопич. когерентностью, стремящейся сделать распределение однородным и приводящей к росту энергии при деформации поля. Текстуры могут существовать и в том случае, если они энергетически невыгодны, но не могут непрерывно исчезать в силу топологич. причин. На рис. 5, б изображена одна из таких текстур - топологический солитон, обнаруженный в А-фазе в экспериментах с ЯМР. В этой текстуре области параллельной и антипараллельной ориентации векторов l и d, соответствующих минимуму энергии спин-орбитального взаимодействия, разделены областью неоднородного распределения l и d (областью солитона), где ориентация l относительно d меняется на противоположную. Солитон приводит к дополнит. резонансному пику поглощения в ЯМР, возникающему из-за возбуждения локализованных на солитоне спиновых волн. Классификация всех возможных топологически устойчивых структур в сверхтекучих фазах А, В и A1 и др. упорядоченных средах осуществляется методами гомотопич. топологии.

1119922-102.jpg

Рис. 5. Текстуры в А-фазе 3He: а -текстура вблизи границы сосуда (магнитное поле перпендикулярно границе), б - топологически устойчивая текстура - солитон; линии со стрелками - l -вектор, линии без стрелок - d-вектор.


Текстуры вектора l существенно влияют на сверхтекучие свойства А-фазы. Если поле l однородно, сверхтекучесть А -фазы описывается обобщённой двух-жидкостной моделью, учитывающей орбитальную анизотропию. Сверхтекучие свойства оказываются анизотропными: плотность сверхтекучего компонента является одноосным тензором 1119922-103.jpg (1119922-104.jpg1119922-105.jpg при 1119922-106.jpg и 1119922-107.jpg при 1119922-108.jpg); скорость четвёртого звука и затухание первого звука зависят от направления их распространения. Последнее позволяет исследовать текстуры вектора l по данным о затухании ультразвука в А -фазе в зависимости от направления его распространения.

В присутствии текстур сверхтекучие свойства A-фазы резко меняются: сверхтекучее течение перестаёт быть потенциальным, циркуляция сверхтекучей скорости по замкнутому контуру 1119922-109.jpg в текстуре не квантуется и зависит от выбора контура интегрирования [H. Д. Мермин (N. D. Mermin), T. Л. Xo (T. L. Но), 1977]. Это приводит, во-первых, к существованию вихрей с непрерывно распределённой завихренностью 1119922-110.jpg , к-рые тем не менее отличаются от вихрей в нормальной жидкости своей топологич. устойчивостью. Эти вихри были обнаружены методом ЯМР во вращающемся сосуде по дополнит. пику поглощения. Во-вторых, в отличие от Не II, макроскопич. поток сверхтекучего компонента при течении по каналу (трубке) может непрерывно изменяться (диссипировать за счёт трения и перехода кинетич. энергии в теплоту), вызывая пространственно-временные осцилляции поля l (их наблюдали в экспериментах с распространением ультразвука). Этот периодич. процесс является аналогом нестационарного Джозефсона эффекта в сверхпроводниках. На поверхности канала, где вектор l фиксирован, пристеночный слой сверхтекучего компонента может испытывать торможение за счёт рождения поверхностных квантованных вихрей - буджумов (стянутых в точку вихрей), обладающих чётным числом N квантов K=h/m циркуляции сверхтекучей скорости по контуру, лежащему в плоскости стенки, где т=2т3 - масса бозона (двух атомов 3He). В-третьих, в сосудах определ. формы, напр. в сферических, всегда, даже в осн. состоянии, имеется циркуляционное сверхтекучее движение, вызываемое образующейся в этом сосуде текстурой (рис. 6). Это движение обладает моментом импульса и может быть обнаружено по гироскопич. эффекту.


1119922-111.jpg

Рис. в. Текстура вектора l в сферическом сосуде с гелием (случай незатухающего сверхтекучего движения). Точечная особенность в векторном поле l на поверхности сосуда - буджум с N=2.

Уникальность сверхтекучих свойств А-фазы - следствие специфич. спонтанного нарушения симметрии. Состояния А-фазы не инвариантны относительно калибровочного преобразования, а также относительно пространственных и спиновых вращений, однако инвариантны относительно определ. комбинации этих преобразований: калибровочное преобразование + поворот вокруг оси l. В результате сверхтекучие свойства, являющиеся следствием нарушения калибровочной симметрии, оказываются связанными с жидко-кристаллич. свойствами, возникающими из-за нарушения симметрии относительно пространственных поворотов. Комбинированная инвариантность приводит также к возможности существования в А-фазе вихрей с полуцелым числом квантов циркуляции. В В-фазе квазичастицы образуют изотропные пары, орбитальные состояния к-рых характеризуются тремя равновероятными проекциями 1119922-112.jpg1 и 0 момента импульса L=1 на направление оси квантования, а спиновое состояние - равновероятными проекциями 1119922-113.jpg1,0 спина пары S=1 на направление оси квантования спина. В отсутствие спин-орбитального взаимодействия взаимная ориентация осей квантования произвольна и состояния В-фазы вырождены относительно трёхмерных поворотов спиновых осей по отношению к направлению орбитальных. Трёхмерные повороты задают матрицей трёхмерных вращений Rik, к-рая выражается через компоненты единичного вектора п оси поворота и угол поворота 1119922-114.jpg. Состояние куперовских пар в В-фазе обладает "полным моментом импульса" I=0, где I - собств. значение оператора 1119922-115.jpg1119922-116.jpg (1119922-117.jpg- операторы орбитального момента и спина). Вырождение снимается спин-орбитальным взаимодействием, энергия к-рого минимальна при 1119922-118.jpg104° (т. н. магический угол, наблюдаемый в ЯМР-экспериментах), а также стенками сосуда, магн. полем и сверхтекучим потоком, ориентирующими вектор п. Частоты ЯМР чувствительны к ориентации n относительно внеш. магн. поля, что позволяет измерять слабые ориентирующие воздействия на вектор п.

Сверхтекучие свойства В-фазы во многом аналогичны свойствам Не II. Плотность сверхтекучего компонента изотропна, но становится анизотропной в магн. поле. В В-фазе сверхтекучее течение потенциально и имеются квантов/ вихри с квантом циркуляции h/m.

Система вихрей во вращающемся сосуде обнаружена методом ЯМР, благодаря ориентирующему влиянию вихрей на вектор п. Вихри в Не II и в 3He-B отличаются структурой их ядра: на оси вихря в Не II сверхтекучесть нарушается (1119922-119.jpg=0), ядро вихря в B-фазе может содержать др. сверхтекучую фазу. Экспериментально обнаружены фазовый переход 1-го рода от одной структуры ядра вихря в другую при T=0,6Тс (р=29,4 атм, или 29,7*105 Па) и магн. момент вихря, сосредоточенный в ядре и направленный по вектору 1119922-120.jpg (1119922-121.jpg- направление оси вихря). Магн. момент вихря - следствие специфич. спонтанного нарушения симметрии в B-фазе, связывающего жидкокристаллич. и магн. свойства: состояния В-фазы инвариантны относительно определ. комбинации пространственных и спиновых вращений. В результате, если в жидкости имеется орбитальный момент кол-ва движения L, напр. за счёт сверхтекучего движения вокруг вихря, то обязательно имеется и спиновый момент Si~RikLk , и наоборот, магн. поле создаёт орбитальное движение.

Существование фазы A1 связано с тем, что в магн. поле ферми-поверхности частиц со спином вверх и со спином вниз разнесены, поэтому при понижении температуры происходит сначала переход из нормального состояния в А1-фазу с образованием куперовских пар в состоянии только со спином вверх. При дальнейшем понижении температуры она переходит в А-фазу (фазовый переход 2-го рода), где образуются также и пары со спином вниз.

В А1-фазе сверхтекучие свойства связаны не только с жидкокристаллическими, но и с магн. свойствами.

Это, в частности, приводит к тому, что второй звук в А1-фазе взаимодействует со спиновыми волнами и скорость его гораздо больше, чем в фазах А и В. Благодаря этому второй звук в А1-фазе экспериментально наблюдать гораздо легче, чем в др. фазах.

Литература по жидкому гелию

  1. Халатников И. M., Теория сверхтекучести, M., 1971;
  2. Паттерман С., Гидродинамика сверхтекучей жидкости, пер. с англ., M., 1978;
  3. Воловик Г. E., Mинеев В. П., Физика и топология, M., 1980;
  4. Mинеев В. П., Сверхтекучий 3He. Введение в предмет, "УФН", 1983, т. 139, с. 303;
  5. Воловик Г. E., Сверхтекучие свойства А-фазы Не3, там же, 1984, т. 143, с. 73. Г.

E. Воловик

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

(время поиска примерно 20 секунд)

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
Рыцари теории эфира
 13.06.2019 - 05:11: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМА ГЛОБАЛЬНОЙ ГИБЕЛИ ПЧЁЛ И ДРУГИХ ОПЫЛИТЕЛЕЙ РАСТЕНИЙ - Карим_Хайдаров.
12.06.2019 - 09:05: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 18:05: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ФИЗИКА - Experimental Physics -> Эксперименты Сёрла и его последователей с магнитами - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 18:03: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Маклакова - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 13:23: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вячеслава Осиевского - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 13:18: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Светланы Вислобоковой - Карим_Хайдаров.
11.06.2019 - 06:28: АСТРОФИЗИКА - Astrophysics -> К 110 летию Тунгуской катастрофы - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 21:23: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Владимира Васильевича Квачкова - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 19:27: СОВЕСТЬ - Conscience -> Высший разум - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 19:24: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 19:14: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
10.06.2019 - 08:40: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> КОЛЛАПС МИРОВОЙ ФИНАНСОВОЙ СИСТЕМЫ - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution