Сверхтекучая пленка
 | В этой статье есть несколько проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти шаблонные сообщения )
|
Сверхтекучесть — это явление, при котором жидкость или часть жидкости теряет всю свою вязкость и может течь без сопротивления. Сверхтекучая пленка — это тонкая пленка, которая может образоваться в результате.
Сверхтекучий гелий , например, образует 30-нанометровую пленку на поверхности любого контейнера. Свойства пленки заставляют гелий подниматься по стенкам контейнера и, если он не закрыт, вытекать.
Сверхтекучесть, как и сверхпроводимость , является макроскопическим проявлением квантовой механики . вызывают значительный интерес, как теоретический, так и практический Эти квантовые фазовые переходы . Огромная работа проделана в области фазовых переходов и критических явлений в двух измерениях. [1] Большой интерес к этой области обусловлен тем, что с увеличением числа измерений количество точно решаемых моделей резко уменьшается. [ сомнительно – обсудить ] В трех или более измерениях необходимо прибегнуть к подходу теории среднего поля. [ сомнительно – обсудить ] Теория сверхтекучих переходов в двух измерениях известна как теория Костерлица-Таулесса (КТ). 2D - модель XY , в которой параметр порядка характеризуется амплитудой и фазой, является классом универсальности для этого перехода.
Экспериментальные методы
[ редактировать ]Увеличение площади фильма
[ редактировать ]При рассмотрении фазовых переходов в тонких пленках, особенно в гелии , двумя основными экспериментальными признаками являются сверхтекучая фракция и теплоемкость . Если бы любое из этих измерений нужно было провести на сверхтекучей пленке в обычном открытом контейнере, сигнал пленки был бы подавлен фоновым сигналом из контейнера. Поэтому при исследовании сверхтекучих пленок первостепенное значение имеет исследование системы большой площади поверхности для усиления сигнала пленки. Есть несколько способов сделать это. В первом случае длинная тонкая полоса материала, такого как ПЭТ-пленка, сворачивается в «рулон желе». В результате получается пленка, представляющая собой длинную непрерывную плоскость, называемую плоской пленкой. [2] Второй способ — использовать высокопористый материал, такой как пористое золото, Vycor или аэрогель . В результате получается многосвязная пленка, подложка которой очень похожа на швейцарский сыр с соединенными между собой отверстиями. [3] Все эти пористые материалы имеют чрезвычайно высокое соотношение площади поверхности к объему. Третий метод состоит в том, чтобы разделить две чрезвычайно плоские пластины тонкой прокладкой, что снова приводит к увеличению отношения площади поверхности к объему.
| Материал | Площадь поверхности (м 2 /г) | Размер пор (нм) |
|---|---|---|
| Викор стекло | 250 | 4 |
| Пористое золото | 100-200 | 100 |
| Аэрогель | 200-1000 | 20 |
с помощью сканирующего электронного микроскопа , площадью 10 микрометров. Изображение пористого золота, полученное
Измерение сверхтекучей фракции
[ редактировать ]
Сверхтекучую реакцию пленки можно измерить, используя крутильный осциллятор для измерения момента инерции содержащей ее клетки. Генератор содержит торсионный стержень, к которому прикреплен элемент, а также устройство для генерации колебаний элемента на его резонансной частоте вокруг оси стержня. Более высокая резонансная частота соответствует меньшему моменту инерции.
Любая сверхтекучая часть пленки теряет вязкость и поэтому не участвует в колебаниях. Это означает, что он больше не влияет на момент инерции ячейки, и резонансная частота увеличивается.
Колебания достигаются за счет емкостной связи с ребром или парой ребер, в зависимости от конфигурации. (В схеме на схеме используется один плавник, показанный серым цветом.)
Ранняя конструкция крутильного генератора была впервые использована Андроникашвили для обнаружения сверхтекучести в объемной жидкости. 4 Он, а затем модифицирован Джоном Реппи и его коллегами из Корнелла в 1970-х годах.
Напомним, что резонансный период крутильного осциллятора равен . [ нужны дальнейшие объяснения ] Следовательно, уменьшение момента инерции уменьшает резонансный период генератора. Измеряя падение периода в зависимости от температуры и общую загрузку пленки по значению пустой ячейки, можно определить долю пленки, перешедшую в сверхтекучее состояние. Типичный набор данных, ясно показывающий сверхтекучее развязывание в пленках гелия, показан в работе. 2.
Измерения на более высоких скоростях
[ редактировать ]Типичный крутильный генератор имеет резонансную частоту порядка 1000 Гц. Это соответствует максимальной скорости подложки в микрометрах в секунду. Сообщается, что критическая скорость пленок гелия составляет порядка 0,1 м/с. Поэтому по сравнению с критической скоростью осциллятор практически покоится. Для исследования теорий динамических аспектов фазовых переходов в тонких пленках необходимо использовать генератор с гораздо более высокой частотой. Кварцевые микровесы представляют собой именно такой инструмент, имеющий резонансную частоту около 10 кГц. Принципы работы во многом такие же, как и для крутильного генератора. Когда тонкая пленка адсорбируется на поверхности кристалла, резонансная частота кристалла кварца падает. По мере охлаждения кристалла в результате сверхтекучего перехода сверхтекучесть отделяется, и частота увеличивается. [4]
Некоторые результаты
[ редактировать ]Теория КТ была подтверждена в серии экспериментов Бишопа и Реппи на плоских пленках, то есть гелиевых пленках на майларе. В частности, они обнаружили, что температура перехода зависит от толщины пленки, а сверхтекучий переход наблюдается в пленках толщиной всего 5% монослоя. Совсем недавно было обнаружено, что вблизи температуры перехода, когда корреляционные длины превышают любой соответствующий масштаб длины в системе, многосвязная пленка будет вести себя как трехмерная система вблизи своей критической точки. [5]
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Дэвид Таулесс: Физика конденсированного состояния менее чем в трех измерениях. Ч. 7. Новая физика, Пол Дэвис, изд. Кембридж.
- ^ Бишоп, диджей; Реппи, JD (26 июня 1978 г.). «Исследование сверхтекучего перехода в двумерном пространстве». 4 He Films». Physical Review Letters . 40 (26). Американское физическое общество (APS): 1727–1730. Bibcode : 1978PhRvL..40.1727B . doi : 10.1103/physrevlett.40.1727 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Бертольд, Дж. Э.; Бишоп, диджей; Реппи, JD (8 августа 1977 г.). «Сверхтекучий переход 4 Он снимает пленки, адсорбированные на пористом стекле Vycor». Physical Review Letters . 39 (6). Американское физическое общество (APS): 348–352. Бибкод : 1977PhRvL..39..348B . doi : 10.1103/physrevlett.39.348 . ISSN 0031- 9007 .
- ^ Хиеда, Мицунори; Кларк, Энтони К.; Чан, MHW (2004). «Микробалансовое исследование сверхтекучих кристаллов кварца». 4 Он снимает пленки на золоте и пористых золотых поверхностях». Журнал физики низких температур . 134 (1/2). Springer Nature: 91–96. Бибкод : 2004JLTP..134...91H . doi : 10.1023/b:jolt.0000012540.32796 .e0 ISSN 0022-2291 .
- ^ Чан, MHW; Блюм, К.И.; Мерфи, SQ; Вонг, ГКС; Реппи, JD (24 октября 1988 г.). «Беспорядок и сверхтекучий переход в LiquidHe4». Письма о физических отзывах . 61 (17). Американское физическое общество (APS): 1950–1953. Бибкод : 1988PhRvL..61.1950C . doi : 10.1103/physrevlett.61.1950 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 10038940 .
Ссылки
[ редактировать ]- Чан, MHW; Яноф, А.В.; Реппи, JD (17 июня 1974 г.). «Сверхтекучесть тонких пленок He4». Письма о физических отзывах . 32 (24). Американское физическое общество (APS): 1347–1350. Бибкод : 1974PhRvL..32.1347C . дои : 10.1103/physrevlett.32.1347 . ISSN 0031-9007 .