Просмотр кода страницы Сверхтекучесть

[[Файл:Helium-II-creep.svg|thumb|Аномальное течение гелия-II]]
'''Сверхтеку́честь''' — способность вещества в особом состоянии ([[квантовая жидкость|квантовой жидкости]]), возникающем при [[температура]]х, близких к [[Абсолютный нуль температуры|абсолютному нулю]] ([[термодинамическая фаза]]), протекать через узкие щели и капилляры без [[трение|трения]]. До недавнего времени сверхтекучесть была известна только у [[жидкий гелий|жидкого гелия]], однако в [[2000-е годы]] сверхтекучесть была обнаружена и в другой системе: в разрежённых атомных [[Конденсат Бозе — Эйнштейна|бозе-конденсатах]].

Сверхтекучесть объясняется следующим образом. Поскольку [[атом]]ы [[Гелий|гелия]]-4 являются [[Бозон (элементарная частица)|бозонами]] (6 [[фермион]]ов дают целый [[спин]]), [[квантовая механика]] допускает нахождение в одном состоянии произвольного числа таких частиц. Вблизи [[Абсолютный ноль температуры|абсолютного нуля температур]] все атомы гелия оказываются в основном энергетическом состоянии. Поскольку [[энергия]] состояний дискретна, атом может получить не любую энергию, а только такую, которая равна энергетическому зазору между соседними [[Энергетический уровень|уровнями энергии]]. Но при низкой температуре энергия столкновений может оказаться меньше этой величины, в результате чего рассеивания энергии попросту не будет происходить. Жидкость будет течь без трения.

== История открытия ==
[[Файл:Rus Stamp-Kapica.jpg|thumb|right|Почтовая марка России 2000 года с портретом П. Л. Капицы и изображением устройства «паучок», изобретённого им для демонстрации сверхтекучести гелия]]
Сверхтекучесть жидкого гелия-II ниже [[лямбда-точка|лямбда-точки]] (T{{nbsp}}= {{num|2.172|К}}) была экспериментально открыта в 1938 году [[Капица, Пётр Леонидович|П. Л. Капицей]] ([[Нобелевская премия по физике]] за 1978 год) и [[Аллен, Джон Фрэнк|Джоном Алленом]]. Уже до этого было известно, что при прохождении этой точки жидкий гелий испытывает [[фазовый переход]], переходя из полностью «нормального» состояния (называемого ''гелий-I'') в новое состояние так называемого ''гелия-II'', однако только Капица показал, что гелий-II течёт вообще (в пределах экспериментальных погрешностей) без трения.

Теория явления сверхтекучего гелия-II была разработана [[Ландау, Лев Давидович|Л. Д. Ландау]] ([[Нобелевская премия по физике]] за [[1962 год]]).

== Основные факты ==
Вязкость гелия-II, измеряемая двумя экспериментами, сильно различается. Измерение скорости вытекания гелия-II из сосуда через узкую щель под действием силы тяжести, показывает очень малую [[вязкость]] (меньше {{val|e=−12|u=Па·с}}). Измерение времени затухания крутильных колебаний диска, погруженного в гелий-II, показывает вязкость, большую чем вязкость гелия-I ({{val|e=−6|u=Па·с}})<ref name="And">''[[Андреев, Александр Фёдорович (физик)|Андреев А. Ф.]]'' Сверхтекучесть жидкого гелия // Школьникам о современной физике. Физика твёрдого тела. — М., [[Просвещение (издательство)|Просвещение]], 1975. — с. 6-20</ref>.

Процесс [[теплопроводность|теплопроводности]] у гелия-II очень существенно отличается от процесса теплопередачи нормальной жидкости — тепло проводится через гелий-II и при сколь угодно малой разности температур.<ref name="And"></ref>

== Двухжидкостная модель гелия-II ==
[[Файл:Относительная доля нормальной компоненты в гелии-II.jpg|thumb|Рис.1 Относительная доля нормальной компоненты в гелии-II]]
В рамках двухжидкостной модели (также известной как «двухкомпонентная модель»), гелий-II представляет собой смесь двух взаимопроникающих жидкостей: сверхтекучей и нормальной компонент. Сверхтекучая компонента представляет собой собственно жидкий гелий, находящийся в квантово-коррелированном состоянии, в некоторой степени аналогичном состоянию [[Конденсат Бозе — Эйнштейна|бозе-конденсата]] (однако, в отличие от конденсата атомов разрежённого газа, взаимодействие между атомами гелия в жидкости достаточно сильно, поэтому теория бозе-конденсата неприменима впрямую к жидкому гелию). Эта компонента движется без трения, обладает нулевой температурой и не участвует в переносе энергии в форме теплоты. Нормальная компонента представляет собой газ [[квазичастица|квазичастиц]] двух типов: [[фонон]]ов и [[ротон]]ов, то есть элементарных возбуждений [[Квантовокоррелированная жидкость|квантовокоррелированной жидкости]]; она движется с трением и участвует в переносе энергии.

При нулевой температуре в гелии отсутствует свободная энергия, которую можно было бы потратить на рождение квазичастиц, и поэтому гелий находится полностью в сверхтекучем состоянии. При повышении температуры плотность газа квазичастиц (прежде всего, фононов) растёт, и доля сверхтекучей компоненты падает. Вблизи температуры лямбда-точки концентрация квазичастиц становится столь велика, что они образуют уже не газ, а жидкость квазичастиц, и наконец при превышении температуры лямбда-точки макроскопическая квантовая когерентность теряется, и сверхтекучая компонента пропадает вовсе. Относительная доля нормальной компоненты показана на {{nobr|Рис. 1}}.

При протекании гелия сквозь щели с малой скоростью, сверхтекучая компонента, по определению, обтекает все препятствия без потери кинетической энергии, то есть без трения. Трение могло бы возникнуть, если бы какой-либо выступ щели порождал квазичастицы, уносящие в разные стороны импульс жидкости. Однако такое явление при малых скоростях течения энергетически невыгодно, и только при превышении критической скорости течения начинают генерироваться [[ротон]]ы.

Эта модель, во-первых, хорошо объясняет разнообразные термомеханические, светомеханические и другие явления, наблюдающиеся в гелии-II, а во-вторых, прочно базируется на [[квантовая механика|квантовой механике]].

Вязкость гелия-II, измеряемая по скорости его вытекания из сосуда через узкую щель под действием силы тяжести, оказывается очень малой вследствие того, что сверхтекучая компонента очень быстро вытекает через щель без трения. Вязкость гелия-II, измеряемая по скорости затухания колебаний крутильного диска, оказывается отличной от нуля вследствие того, что нормальная компонента очень быстро замедляет его вращение<ref name="And"></ref>.

Перенос тепла в гелии-II осуществляется посредством распространения звуковых волн, переносящих энергию в одном направлении, больше, чем в обратном. Вместе с ними движется нормальная компонента, а в обратном направлении движется сверхтекучая компонента, не переносящая тепло<ref name="And"></ref>.

== Сверхтекучесть в иных системах ==
* Построена сверхтекучая модель атомного ядра, которая достаточно хорошо описывает экспериментальные данные{{sfn|Сверхпроводимость и сверхтекучесть|с=127|1978}}.
* В [[1995 год]]у в экспериментах с разрежёнными газами щелочных металлов были достигнуты достаточно низкие температуры для того, чтобы газ перешёл в состояние [[бозе-конденсат|бозе-эйнштейновского конденсата]]. Как и ожидалось на основании теоретических вычислений, полученный конденсат вёл себя как сверхтекучая жидкость. В последующих экспериментах было установлено, что при движении тел сквозь этот конденсат со скоростями меньше критической никакой передачи энергии от тела к конденсату не происходит.
* В [[2000 год]]у Ян Петер Тоэннис демонстрирует сверхтекучесть водорода при 0,15 K<ref>[http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/289/5484/1532 Evidence for Superfluidity in Para-Hydrogen Clusters Inside Helium-4 Droplets at 0.15 Kelvin] {{Wayback|url=http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/289/5484/1532 |date=20080726153052 }}{{ref|en}}</ref>
* В [[2004 год]]у было объявлено об открытии сверхтекучести и у [[твёрдый гелий|твёрдого гелия]]. Последующие исследования, однако, показали, что ситуация далеко не столь проста, и потому говорить об экспериментальном обнаружении этого явления пока преждевременно.
* С [[2004 год]]а, на основании результатов ряда теоретических работ<ref>{{cite web | author = Egor Babaev | coauthors = Asle Sudbo, N. W. Ashcroft | datepublished = 2004-10-18 | url = http://arxiv.org/abs/cond-mat/0410408 | title = A superconductor to superfluid phase transition in liquid metallic hydrogen | access-date = 2009-03-20 | lang = en | archive-date = 2017-07-28 | archive-url = https://web.archive.org/web/20170728205843/https://arxiv.org/abs/cond-mat/0410408 | url-status = live }}</ref> предполагается, что при давлениях порядка 4 миллионов атмосфер и выше [[водород]] становится неспособным переходить в твёрдую фазу при любом охлаждении (как и гелий при нормальном давлении) образуя тем самым сверхтекучую жидкость. Прямые экспериментальные подтверждения или опровержения пока отсутствуют.
* Существуют также работы, предсказывающие сверхтекучесть в холодном нейтронном или кварковом [[агрегатное состояние|агрегатном состоянии]]. Это может оказаться важным для понимания физики [[нейтронная звезда|нейтронных]] и [[кварковая звезда|кварковых звёзд]].
* В [[2005 год]]у была открыта сверхтекучесть в холодном разрежённом газе [[фермион]]ов<ref>{{Cite web |url=http://elementy.ru/news/25740 |title=Сверхтекучесть в холодном разрежённом газе фермионов |access-date=2005-06-24 |archive-date=2014-04-08 |archive-url=https://web.archive.org/web/20140408212551/http://elementy.ru/news/25740 |url-status=live }}</ref>.
* В [[2009 год]]у была продемонстрирована сверхтекучесть типа «[[Сверхтекучее твёрдое тело|supersolid]]» в холодном разрежённом газе рубидия<ref>{{Cite web |url=http://lenta.ru/news/2009/03/19/supersolid/ |title=Сверхтекучесть типа «supersolid» в холодном разрежённом газе рубидия |access-date=2009-03-19 |archive-date=2011-02-11 |archive-url=https://web.archive.org/web/20110211133352/http://lenta.ru/news/2009/03/19/supersolid/ |url-status=live }}</ref>.

== Современные направления исследования ==
* Турбулентность в сверхтекучей жидкости
* Сверхтекучесть в системах с внутренними [[Степени свободы (физика)|степенями свободы]]
* Связь сверхпроводящих и сверхтекучих [[термодинамическая фаза|фаз]]
* Спиновая сверхтекучесть
* Поиск новых веществ со сверхтекучими фазами

== Примечания ==
{{примечания}}

== См. также ==
* [[Критерий сверхтекучести Ландау]]
* [[Сверхпроводимость]]

== Ссылки ==
{{wiktionary|сверхтекучесть}}
* ''Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М.'' Гидродинамика. — М.: Наука, 1986, 736 с.
* ''Зайко Ю. Н.'' Распространение волн в жидкости, протекающей в жидкости с упругими стенками // Письма в ЖТФ, 2001, т. 27, вып. 16, с. 27—31.
* ''Зайко Ю. Н.'' Модель течения жидкости в сосуде с упругими стенками // Письма в ЖТФ, 2002, т. 28, вып. 24, с. 15—19.
* ''P. W. Carpenter, C. Davis, A. D. Lucey.'' Hydrodynamics and compliant walls: Does dolphin have a secret? //Current Science, 25 September 2000, Vol. 70, No 6, pp. 758—765.
* ''Шапиро Л. С.''  [https://web.archive.org/web/20070515033037/http://submarine.id.ru/intro.php?31 Создание и развитие подводного корабля. К патентам Природы]
* [http://bv-vasiliev.narod.ru/superconductivity/ О роли нулевых колебаний в образовании сверхпроводящего и сверхтекучего состояний]
* [http://cryophysics.ru/helium/ Сверхтекучий гелий] Сборник актуальных статей по сверхтекучести He-II на портале Криофизика

=== Обзорные статьи ===
* ''Гинзбург В. Л.'' [http://ufn.ru/ru/articles/1969/4/b/ Сверхтекучесть и сверхпроводимость во Вселенной] // Успехи Физических Наук — УФН, Т. 97. 1969, № 4. PDF
* ''Дмитриев В. В.'' [http://ufn.ru/ru/articles/2005/1/d/ Спиновая сверхтекучесть в <sup>3</sup>He.] // УФН, т.175 (2005), N. 1, p. 85-92.
* ''[[Жилич, Анатолий Георгиевич|Жилич А. Г.]]'' Сверхтекучесть // Физика на пороге новых открытий. — Л.: Изд-во ЛГУ, 1990.

== Литература ==
* {{книга
 |автор         = Кресин В. З.
 |заглавие      = Сверхпроводимость и сверхтекучесть
 |место         = М.
 |издательство  = Наука
 |год           = 1978
 |страниц       = 187
 |ref           = Сверхпроводимость и сверхтекучесть
 }}
* {{книга
 |автор         = Бондарев Б. В.
 |заглавие      = Метод матриц плотности в квантовой теории сверхтекучести
 |место         = М.
 |издательство  = Спутник
 |год           = 2014
 |страниц       = 91
 |ref           = Сверхпроводимость и сверхтекучесть
 }}
* {{книга
 |автор         = Тилли Д. Р., Тилли Дж.
 |заглавие      = Свехтекучесть и сверхпроводимость
 |место         = М.
 |издательство  = Мир
 |год           = 1977
 |страниц       = 304
 |isbn          = 
 |ref           = Тилли
}}
* {{книга
 |автор         = Паттерман С.
 |заглавие      = Гидродинамика сверхтекучей жидкости
 |место         = М.
 |издательство  = Мир
 |год           = 1978
 |страниц       = 520
 |ref           = Паттерман
 }}

{{ВС}}
{{Состояния материи}}

[[Категория:Коллективные явления в конденсированных средах]]
[[Категория:Агрегатные состояния]]
[[Категория:Физика низких температур]]
[[Категория:Жидкость]]