Сколько жидкости

Квантовая жидкость относится к любой системе, которая демонстрирует квантово-механические эффекты на макроскопическом уровне, такой как сверхжидкости , сверхпроводники , ультрахолодные атомы и т. д. Обычно квантовые жидкости возникают в ситуациях, когда существенны как квантово-механические эффекты, так и квантовые статистические эффекты.

Большая часть материи находится в твердом или газообразном состоянии (при низкой плотности) вблизи абсолютного нуля . Однако для гелия -4 и его изотопа гелия-3 существует диапазон давлений, в котором они могут оставаться жидкими вплоть до абсолютного нуля, поскольку амплитуда квантовых флуктуаций, испытываемых атомами гелия, больше, чем межатомные расстояния. .

В случае твердых квантовых жидкостей только часть их электронов или протонов ведет себя как «жидкость». Одним из ярких примеров является сверхпроводимость, где квазичастицы, состоящие из пар электронов и фонона, действуют как бозоны, которые затем способны коллапсировать в основное состояние, создавая сверхток с удельным сопротивлением, близким к нулю.

Вывод

Квантово-механические эффекты становятся значимыми для физики в диапазоне длин волн де Бройля . Для конденсированного вещества это когда длина волны де Бройля частицы больше, чем расстояние между частицами в решетке, из которой состоит вещество.Длина волны де Бройля, связанная с массивной частицей, равна

\lambda ={\frac {h}{p}}

где h — постоянная Планка. Импульс можно найти из кинетической теории газов , где

p=mv_{p}=m{\sqrt {2{\frac {k_{B}T}{m}}}}={\sqrt {2mk_{B}T}}

Здесь температуру можно найти как

k_{B}T={\frac {p^{2}}{2m}}

Конечно, мы можем заменить здесь импульс импульсом, полученным из длины волны де Бройля, например:

k_{B}T={\frac {h^{2}}{2m\lambda ^{2}}}

Следовательно, мы можем сказать, что квантовые жидкости будут проявляться примерно в температурных областях, где $\lambda >d$ , где d — расстояние решетки (или расстояние между частицами). Математически это выражается так:

k_{B}T={\frac {h^{2}}{2m\lambda ^{2}}}<{\frac {h^{2}}{2md^{2}}}

Легко увидеть, как приведенное выше определение связано с плотностью частиц n. Мы можем написать

k_{B}T<{\frac {h^{2}}{2m}}n^{\frac {2}{3}}

как $n={\frac {1}{d^{3}}}$ для трехмерной решетки

Вышеуказанный предел температуры $T$ имеет разное значение в зависимости от квантовой статистики, которой следует каждая система, но обычно относится к моменту, в котором система проявляет свойства квантовой жидкости. системы фермионов Для $T$ - это оценка энергии Ферми системы, в которой происходят процессы, важные для таких явлений, как сверхпроводимость. Для бозонов , $T$ дает оценку температуры конденсации Бозе-Эйнштейна.

См. также

Ссылки

Лернер, Рита Г .; Тригг, Джордж Л. (1990). Энциклопедия физики . Издательство ВХК. ISBN 0-89573-752-3 .