Второй звук

В конденсированного состояния физике второй звук — это квантовомеханическое явление, при котором передача тепла происходит посредством волнообразного движения, а не посредством более обычного механизма диффузии . Его наличие приводит к очень высокой теплопроводности . Он известен как «второй звук», потому что волновое движение энтропии и температуры аналогично распространению волн давления в воздухе ( звук ). Явление второго звука впервые описал Лев Ландау в 1941 году.

Описание

Нормальные звуковые волны — это колебания смещения и плотности молекул вещества; Вторые звуковые волны — это флуктуации плотности квазичастичных тепловых возбуждений ( ротонов и фононов ). Второй звук можно наблюдать в любой системе, в которой большинство фонон-фононных столкновений сохраняют импульс, например в сверхтекучих средах. и в некоторых диэлектрических кристаллах когда рассеяние переброса мало.

В отличие от молекул газа, квазичастицы не обязательно сохраняются. Кроме того, молекулы газа в ящике сохраняют импульс (за исключением границ ящика), тогда как квазичастицы иногда могут не сохранять импульс в присутствии примесей или рассеяния переброса. Фонон-фононное рассеяние переброса обменивается импульсом с кристаллической решеткой, поэтому импульс фонона не сохраняется, но процессы переброса могут быть уменьшены при низких температурах.

Нормальный звук в газах является следствием того, что частота столкновений τ между молекулами велика по сравнению с частотой звуковой волны ω ≫ 1/ τ . Для второго звука скорость переброса τ _u должна быть малой по сравнению с частотой колебаний ω ≪ 1/ τ _u для сохранения энергии и импульса. Однако, как и в газах, время релаксации τ _N, ​​описывающее столкновения, должно быть большим по отношению к частоте ω ≫ 1/ τ _N , оставляя окно:

${\frac {1}{\tau _{\rm {u}}}}\ll \omega \ll {\frac {1}{\tau _{N}}}$

для звукоподобного поведения или второго звука. Таким образом, второй звук ведет себя как колебания локального числа квазичастиц (или локальной энергии, переносимой этими частицами). В отличие от обычного звука, где энергия связана с давлением и температурой, в кристалле локальная плотность энергии является чисто функцией температуры. В этом смысле второй звук также можно рассматривать как колебания локальной температуры. Второй звук представляет собой волнообразное явление, что сильно отличает его от обычной диффузии тепла .

В гелии II

Второй звук наблюдается в жидком гелии при температурах ниже лямбда-точки 2,1768 К , где ⁴ Он становится сверхтекучей жидкостью, известной как гелий II . Гелий II имеет самую высокую теплопроводность среди всех известных материалов (в несколько сотен раз выше, чем медь ). Второй звук можно наблюдать либо в виде импульсов, либо в резонансной полости.

Скорость второго звука близка к нулю вблизи лямбда-точки, увеличиваясь примерно до 20 м/с около 1,8 К. примерно в десять раз медленнее обычных звуковых волн. При температурах ниже 1 К скорость второго звука в гелии II увеличивается с понижением температуры.

Второй звук наблюдается также в сверхтекучем гелии-3 ниже его лямбда-точки 2,5 мК.

В двухжидкостном случае скорость второго звука определяется выражением

$c_{2}=\left({\frac {TS^{2}}{C}}\,{\frac {\rho _{s}}{\rho _{n}}}\right)^{1/2}$

где $T$ это температура, $S$ это энтропия, $C$ это удельная теплоемкость, $\rho _{s}$ – сверхтекучая плотность и $\rho _{n}$ – нормальная плотность жидкости. Как $T\rightarrow 0$, $c_{2}=c/{\sqrt {3}}$, где $c=(\partial p/\partial \rho )_{S}\approx (\partial p/\partial \rho )_{T}$ — обычная (или первая) скорость звука.

В других СМИ

Второй звук наблюдался в твёрдом ⁴ Он и ³ Он, и в некоторых твердых диэлектриках, таких как Bi, при температуредиапазон от 1,2 до 4,0 К со скоростью 780 ± 50 м/с, или твердый фторид натрия (NaF) примерно от 10 до 20 К. В 2021 году этот эффект наблюдался в БКТ. сверхтекучем а также в германиевом полупроводнике

В графите

В 2019 году сообщалось, что обычный графит проявляет второй звук при температуре К. 120 Эта особенность была предсказана теоретически и наблюдалась экспериментально.Это была самая высокая температура, при которой наблюдался второй звук. Однако этот второй звук наблюдается только на микроуровне, поскольку волна затухает экспоненциально с увеличениемхарактерная длина 1-10 мкм. Следовательно, предположительно графит в правильном температурном режиме обладает необычайно высокой теплопроводностью , но только с целью передачи тепловых импульсов на расстояния порядка 10 микрон и для импульсов длительностью порядка 10 наносекунд. Для более «нормальной» теплопередачи наблюдаемая теплопроводность графита меньше, чем, например, у меди. Однако теоретические модели предсказывают, что более длинные длины поглощения будут наблюдаться в изотопно чистом графите и, возможно, в более широком температурном диапазоне, например, даже при комнатной температуре. (По состоянию на март 2019 года этот эксперимент еще не проводился.)

Приложения

Измерение скорости второго звука в ³ Он- ⁴ Смеси могут бытьиспользуется как термометр в диапазоне 0,01-0,7 К.

Осциллирующие преобразователи суперпротечек (ОСТ) использовать второй звук для обнаружения дефектов в резонаторах сверхпроводящих ускорителей .

См. также

• Нулевой звук
• Третий звук

Библиография

• Синьян Шен, Второй поверхностный звук в сверхтекучем гелии. Кандидатская диссертация (1973). http://adsabs.harvard.edu/abs/1973PhDT.......142S
• Пешков В. «Второй звук» в гелии II // J. Phys. (Москва) 8, 381 (1944)
• У. Пирам, «Численное исследование второго звука в жидком гелии», Дипломированный инженер. Диссертация (1991). Проверено 15 апреля 2007 г.