Сверхтекучесть
| Физика конденсированного состояния |
|---|
 |
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 [ править ]
Сверхтекучесть в гелии-4 открыл Петр Капица. [2] и независимо Джоном Ф. Алленом и Доном Мизенером. [3] в 1937 году. Возможно, Оннес 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 .
газы Ультрахолодные атомные
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 [ править ]
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 [ править ]
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 [ править ]
- Буджум (сверхтекучесть)
- Физика конденсированного состояния
- Макроскопические квантовые явления
- Квантовая гидродинамика
- Медленный свет
- Супертвердый
Ссылки [ править ]
- ^ Jump up to: Перейти обратно: 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 [ править ]
- 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 [ править ]
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.
| Базы данных органов управления : Национальные |
|---|
