Сверхтекучесть

Гелий II будет «ползти» по поверхностям, чтобы найти свой уровень — через некоторое время уровни в двух контейнерах выровняются. Пленка Роллина также покрывает внутреннюю часть контейнера большего размера; если бы он не был запечатан, гелий II выполз бы и убежал.

Сверхтекучесть — характерное свойство жидкости с нулевой вязкостью , которая, следовательно, течет без потери кинетической энергии . При перемешивании сверхтекучая жидкость образует вихри , которые продолжают вращаться бесконечно. Сверхтекучесть возникает у двух изотопов гелия ) , ( гелий-3 и гелий-4 когда они сжижаются путем охлаждения до криогенных температур. Это также свойство различных других экзотических состояний материи, существование которых теоретически существует в астрофизике , физике высоких энергий и теориях квантовой гравитации . ^[1] Теорию сверхтекучести разработали советские физики-теоретики Лев Ландау и Исаак Халатников .

Сверхтекучесть часто сочетается с конденсацией Бозе-Эйнштейна , но ни одно из явлений не связано напрямую с другим; не все конденсаты Бозе-Эйнштейна можно рассматривать как сверхтекучие жидкости, и не все сверхтекучие жидкости являются конденсатами Бозе-Эйнштейна. ^{[ нужна ссылка ]} Сверхтекучие жидкости имеют потенциальное практическое применение, например, растворение веществ в квантовом растворителе .

Сверхтекучесть жидкого гелия.

Сверхтекучесть в гелии-4 открыл Петр Капица. ^[2] и независимо Джона Ф. Аллена и Дона Мизенера. ^[3] в 1937 году. Оннес , возможно, наблюдал сверхтекучий фазовый переход 2 августа 1911 года, в тот же день, когда он наблюдал сверхпроводимость в ртути. ^[4] С тех пор он был описан с помощью феноменологии и микроскопических теорий.

В жидком гелии-4 сверхтекучесть возникает при гораздо более высоких температурах, чем в гелии-3 . Каждый атом гелия-4 является бозонной частицей в силу своего целочисленного спина . Атом гелия-3 является фермионной частицей; он может образовывать бозоны только путем спаривания с другой такой же частицей, что происходит при гораздо более низких температурах. Открытие сверхтекучести гелия-3 послужило основанием для присуждения Нобелевской премии по физике 1996 года . ^[1] Этот процесс аналогичен спариванию электронов в сверхпроводимости .

Ультрахолодные атомные газы

Сверхтекучесть ультрахолодного фермионного газа была экспериментально доказана Вольфгангом Кеттерле и его командой, которые наблюдали квантовые вихри в литии-6 при температуре 50 нК в Массачусетском технологическом институте в апреле 2005 года. ^[5]^[6] Подобные вихри ранее наблюдались в ультрахолодном бозонном газе с использованием рубидия-87 в 2000 году. ^[7] и совсем недавно в двумерных газах . ^[8] Еще в 1999 году Лене Хау создала такой конденсат, используя натрия . атомы ^[9] с целью замедления света, а затем и полной его остановки. ^[10] Ее команда впоследствии использовала эту систему сжатого света. ^[11] для создания сверхтекучего аналога ударных волн и торнадо: ^[12]

Эти резкие возбуждения приводят к образованию солитонов , которые, в свою очередь, распадаются на квантованные вихри , возникающие далеко за пределами равновесия, в парах противоположной циркуляции, что непосредственно демонстрирует процесс сверхтекучего распада в конденсатах Бозе-Эйнштейна. С помощью установки двойного светового барьера мы можем генерировать контролируемые столкновения между ударными волнами, приводящие к совершенно неожиданным нелинейным возбуждениям. Мы наблюдали гибридные структуры, состоящие из вихревых колец, заключенных в темные солитонные оболочки. Вихревые кольца действуют как «фантомные пропеллеры», что приводит к очень богатой динамике возбуждения.
- Лене Хау, конференция SIAM по нелинейным волнам и когерентным структурам

Сверхтекучие жидкости в астрофизике

Идею о существовании сверхтекучести внутри нейтронных звезд впервые высказал Аркадий Мигдал . ^[13]^[14] По аналогии с электронами внутри сверхпроводников, образующими куперовские пары из-за электрон-решеточного взаимодействия, ожидается, что нуклоны в нейтронной звезде при достаточно высокой плотности и низкой температуре также могут образовывать куперовские пары из-за дальнодействующей ядерной силы притяжения и приводить к сверхтекучести. и сверхпроводимость. ^[15]

В физике высоких энергий и квантовой гравитации

Теория сверхтекучего вакуума (СВТ) — это подход в теоретической физике и квантовой механике , в котором физический вакуум рассматривается как сверхтекучий. ^{[ нужна ссылка ]}

Конечная цель подхода — разработка научных моделей, которые объединяют квантовую механику (описывающую три из четырех известных фундаментальных взаимодействий) с гравитацией . Это делает SVT кандидатом на роль теории квантовой гравитации и расширения Стандартной модели . ^{[ нужна ссылка ]}

Есть надежда, что развитие такой теории позволит объединить в единую непротиворечивую модель всех фундаментальных взаимодействий.и описать все известные взаимодействия и элементарные частицы как различные проявления одной и той же сущности — сверхтекучего вакуума. ^{[ нужна ссылка ]}

В макромасштабе предполагается, что более крупное подобное явление происходит журчанием скворцов с . Быстрота изменения моделей полета имитирует фазовый переход, приводящий к сверхтекучести в некоторых жидких состояниях. ^[16]

Свет ведет себя как сверхтекучая жидкость в различных приложениях, таких как пятно Пуассона . Как и в случае с жидким гелием, показанным выше, свет будет проходить вдоль поверхности препятствия, прежде чем продолжить движение по своей траектории. Поскольку на свет не влияет местная гравитация, его «уровень» становится собственной траекторией и скоростью. Другой пример — как луч света проходит через отверстие апертуры и вдоль ее задней стороны до дифракции. ^{[ нужна ссылка ]}

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б «Нобелевская премия по физике 1996 года – дополнительная информация» . www.nobelprize.org . Проверено 10 февраля 2017 г.
^ Капица, П. (1938). «Вязкость жидкого гелия ниже λ-точки» . Природа . 141 (3558): 74. Бибкод : 1938Natur.141...74K . дои : 10.1038/141074a0 . S2CID 3997900 .
^ Аллен, Дж. Ф.; Мизенер, AD (1938). «Поток жидкого гелия II». Природа . 142 (3597): 643. Бибкод : 1938Natur.142..643A . дои : 10.1038/142643a0 . S2CID 4135906 .
^ ван Делфт, Дирк; Кес, Питер (01 сентября 2010 г.). «Открытие сверхпроводимости» . Физика сегодня . 63 (9): 38–43. Бибкод : 2010ФТ....63и..38В . дои : 10.1063/1.3490499 . ISSN 0031-9228 .
^ «Физики MIT создают новую форму материи» . mit.edu . 22 июня 2005 г. Проверено 22 ноября 2010 г.
^ Гримм, Р. (2005). «Физика низких температур: квантовая революция» . Природа . 435 (7045): 1035–1036. Бибкод : 2005Natur.435.1035G . дои : 10.1038/4351035а . ПМИД 15973388 . S2CID 7262637 .
^ Мэдисон, К.; Чеви, Ф.; Воллебен, В.; Далибард, Дж. (2000). «Вихреобразование в перемешиваемом конденсате Бозе – Эйнштейна». Письма о физических отзывах . 84 (5): 806–809. arXiv : cond-mat/9912015 . Бибкод : 2000PhRvL..84..806M . doi : 10.1103/PhysRevLett.84.806 . ПМИД 11017378 . S2CID 9128694 .
^ Бернетт, К. (2007). «Атомная физика: холодные газы проникают во Флатландию» . Физика природы . 3 (9): 589. Бибкод : 2007NatPh...3..589B . дои : 10.1038/nphys704 .
^ Хау, Л.В.; Харрис, SE; Даттон, З.; Бехрузи, CH (1999). «Снижение скорости света до 17 метров в секунду в ультрахолодном атомном газе» . Природа . 397 (6720): 594–598. Бибкод : 1999Natur.397..594V . дои : 10.1038/17561 . S2CID 4423307 .
^ «Лен Хау» . Physicscentral.com . Проверено 10 февраля 2013 г.
^ Хау, Лене Вестергаард (2003). «Ледяной свет» (PDF) . Научный Американ : 44–51.
^ Хау, Лене (9–12 сентября 2006 г.). «Шокирующий конденсат Бозе-Эйнштейна с медленным светом» . СИАМ.орг . Общество промышленной и прикладной математики.
^ А.Б. Мигдал (1959). «Сверхтекучесть и моменты инерции ядер». Нукл. Физ . 13 (5): 655–674. Бибкод : 1959NucPh..13..655M . дои : 10.1016/0029-5582(59)90264-0 .
^ А.Б. Мигдал (1960). «Сверхтекучесть и моменты инерции ядер» . Советский физ. ЖЭТФ . 10 (5): 176. Бибкод : 1959NucPh..13..655M . дои : 10.1016/0029-5582(59)90264-0 .
^ У. Ломбардо и Х.-Ж. Шульце (2001). «Сверхтекучесть материи нейтронной звезды». Физика недр нейтронных звезд . Конспект лекций по физике. Том. 578. стр. 30–53. arXiv : astro-ph/0012209 . дои : 10.1007/3-540-44578-1_2 . ISBN 978-3-540-42340-9 . S2CID 586149 .
^ Аттанаси, А.; Каванья, А.; Дель Кастелло, Л.; Джардина, И.; Григера, Т.С.; Джелич, А.; Мелилло, С.; Паризи, Л.; Пол, О.; Шен, Э.; Авеню, М. (2014). «Передача информации и поведенческая инерция в стаях скворцов» . Физика природы . 10 (9): 615–698. arXiv : 1303.7097 . Бибкод : 2014NatPh..10..691A . дои : 10.1038/nphys3035 . ПМЦ 4173114 . ПМИД 25264452 .

Дальнейшее чтение

Халатников, Исаак М. (2018). Введение в теорию сверхтекучести . ЦРК Пресс. ISBN 978-0-42-997144-0 .
Аннетт, Джеймс Ф. (2005). Сверхпроводимость, сверхтекучие жидкости и конденсаты . Оксфорд: Оксфордский университет. Нажимать. ISBN 978-0-19-850756-7 .
Гено, Тони (2003). Основные сверхтекучие жидкости . Лондон: Тейлор и Фрэнсис. ISBN 0-7484-0891-6 .
Свистунов Б.В., Бабаев Е.С. , Прокофьев Н.В. Сверхтекучие состояния вещества
Воловик, Григорий Евгеньевич (2003). Капля гелия во Вселенной . Они. Сэр. Моногр. Физ. Том. 117. стр. 1–507. ISBN 978-0-19-850782-6 .

Внешние ссылки

Цитаты, связанные со сверхтекучестью , в Wikiquote
СМИ, связанные со сверхтекучестью, на Викискладе?
Видео: Демонстрация сверхтекучего гелия (Альфред Лейтнер, 1963, 38 мин.)
Сверхтекучесть, обнаруженная в недавнем наблюдении 2d ферми-газа в 2021 году, имеющем отношение к купратным сверхпроводникам.

[:0-1] Jump up to: ^а ^б «Нобелевская премия по физике 1996 года – дополнительная информация» . www.nobelprize.org . Проверено 10 февраля 2017 г.

[2] Капица, П. (1938). «Вязкость жидкого гелия ниже λ-точки» . Природа . 141 (3558): 74. Бибкод : 1938Natur.141...74K . дои : 10.1038/141074a0 . S2CID 3997900 .

[3] Аллен, Дж. Ф.; Мизенер, AD (1938). «Поток жидкого гелия II». Природа . 142 (3597): 643. Бибкод : 1938Natur.142..643A . дои : 10.1038/142643a0 . S2CID 4135906 .

[4] ван Делфт, Дирк; Кес, Питер (01 сентября 2010 г.). «Открытие сверхпроводимости» . Физика сегодня . 63 (9): 38–43. Бибкод : 2010ФТ....63и..38В . дои : 10.1063/1.3490499 . ISSN 0031-9228 .

[5] «Физики MIT создают новую форму материи» . mit.edu . 22 июня 2005 г. Проверено 22 ноября 2010 г.

[6] Гримм, Р. (2005). «Физика низких температур: квантовая революция» . Природа . 435 (7045): 1035–1036. Бибкод : 2005Natur.435.1035G . дои : 10.1038/4351035а . ПМИД 15973388 . S2CID 7262637 .

[7] Мэдисон, К.; Чеви, Ф.; Воллебен, В.; Далибард, Дж. (2000). «Вихреобразование в перемешиваемом конденсате Бозе – Эйнштейна». Письма о физических отзывах . 84 (5): 806–809. arXiv : cond-mat/9912015 . Бибкод : 2000PhRvL..84..806M . doi : 10.1103/PhysRevLett.84.806 . ПМИД 11017378 . S2CID 9128694 .

[8] Бернетт, К. (2007). «Атомная физика: холодные газы проникают во Флатландию» . Физика природы . 3 (9): 589. Бибкод : 2007NatPh...3..589B . дои : 10.1038/nphys704 .

[9] Хау, Л.В.; Харрис, SE; Даттон, З.; Бехрузи, CH (1999). «Снижение скорости света до 17 метров в секунду в ультрахолодном атомном газе» . Природа . 397 (6720): 594–598. Бибкод : 1999Natur.397..594V . дои : 10.1038/17561 . S2CID 4423307 .

[10] «Лен Хау» . Physicscentral.com . Проверено 10 февраля 2013 г.

[11] Хау, Лене Вестергаард (2003). «Ледяной свет» (PDF) . Научный Американ : 44–51.

[12] Хау, Лене (9–12 сентября 2006 г.). «Шокирующий конденсат Бозе-Эйнштейна с медленным светом» . СИАМ.орг . Общество промышленной и прикладной математики.

[13] А.Б. Мигдал (1959). «Сверхтекучесть и моменты инерции ядер». Нукл. Физ . 13 (5): 655–674. Бибкод : 1959NucPh..13..655M . дои : 10.1016/0029-5582(59)90264-0 .

[14] А.Б. Мигдал (1960). «Сверхтекучесть и моменты инерции ядер» . Советский физ. ЖЭТФ . 10 (5): 176. Бибкод : 1959NucPh..13..655M . дои : 10.1016/0029-5582(59)90264-0 .

[15] У. Ломбардо и Х.-Ж. Шульце (2001). «Сверхтекучесть материи нейтронной звезды». Физика недр нейтронных звезд . Конспект лекций по физике. Том. 578. стр. 30–53. arXiv : astro-ph/0012209 . дои : 10.1007/3-540-44578-1_2 . ISBN 978-3-540-42340-9 . S2CID 586149 .

[16] Аттанаси, А.; Каванья, А.; Дель Кастелло, Л.; Джардина, И.; Григера, Т.С.; Джелич, А.; Мелилло, С.; Паризи, Л.; Пол, О.; Шен, Э.; Авеню, М. (2014). «Передача информации и поведенческая инерция в стаях скворцов» . Физика природы . 10 (9): 615–698. arXiv : 1303.7097 . Бибкод : 2014NatPh..10..691A . дои : 10.1038/nphys3035 . ПМЦ 4173114 . ПМИД 25264452 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

v т и Состояния материи ( список )
Состояние	Твердый Жидкость Газ / Пар Сверхкритическая жидкость Плазма
Низкая энергия	Конденсат Бозе – Эйнштейна Фермионный конденсат Вырожденная материя Квантовый зал дело Ридберга Странное дело сверхтекучий Супертвердый Фотонная молекула
Высокая энергия	КХД имеет значение Кварк-глюонная плазма Конденсат цветного стекла
Другие штаты	Коллоид Кристалл Жидкий кристалл Кристалл времени Квантовая спиновая жидкость Экзотическая материя Программируемая материя Темная материя Антивещество Магнитно упорядоченный Антиферромагнетик Ферримагнетик Ферромагнетик Струнная сетка жидкость Суперстекло
Переходы	Кипение Точка кипения Конденсат Критическая линия Критическая точка Кристаллизация Депонирование Испарение Мгновенное испарение Замораживание Химическая ионизация Ионизация Лямбда-точка плавление Температура плавления Рекомбинация Регулирование Насыщенная жидкость Сублимация Переохлаждение Тройная точка Испарение Витрификация
Количества	Энтальпия плавления Энтальпия сублимации Энтальпия испарения Скрытое тепло Скрытая внутренняя энергия Правило Траутона Волатильность
Концепции	Барионная материя Бинодал Сжатая жидкость Кривая охлаждения Уравнение состояния Эффект Лейденфроста Макроскопические квантовые явления Эффект Мпембы Порядок и беспорядок (физика) Спинодаль Сверхпроводимость Перегретый пар Перегрев Термодиэлектрический эффект