Kvantová kapalina

Kvantová kapalina  je kapalina, jejíž vlastnosti jsou určeny kvantovými jevy . V blízkosti absolutní nuly by se podle představ klasické fyziky měl pohyb atomů zastavit a látka by se měla proměnit v krystal, což se u některých látek s malou atomovou hmotností, velkou nulovou energií (a tedy významnou nulou ) nestává. vibrace ) a slabá interakce mezi atomy - pak to, že zůstávají kapalinami, je způsobeno kvantovými efekty [1] , které brání vzniku krystalové mřížky - za normálního tlaku zůstává helium kapalné až do absolutní nuly, krystalické helium lze získat pouze při tlak se zvýšil na 25 atmosfér. Kapalina se stává kvantovou, když se tepelná de Broglieho vlnová délka jejích částic stane srovnatelnou se vzdáleností mezi nimi ( nastává kvantová degenerace kapaliny [2] . V závislosti na tom, zda částice tvořící kapalinu jsou bosony nebo fermiony , se kapaliny nazývají bosonické nebo fermionické ( Bose- liquid nebo Fermi liquid ).

Kvantové kapaliny objevili Peter Kapitsa a John Allen v roce 1938. Elektrony v kovech a polovodičích, excitony v dielektrikách a nukleony v atomových jádrech tvoří kvantové kapaliny, avšak kapalné helium-4 a helium-3 , které jsou bosonickou kapalinou a fermionovou kapalinou, jsou považovány za klasické příklady takových kapaliny.

Kvantové kapaliny vykazují své neobvyklé vlastnosti ve stavech blízkých základnímu stavu kvantové minimální energie . V tomto případě lze excitovaný stav kapaliny popsat jako plyn elementárních excitací - kvazičástice , což zase mohou být bosony (které vznikají jeden po druhém) nebo fermiony (které vznikají ve dvojicích, protože moment hybnosti kapaliny se může změnit pouze o celé číslo h ). Bose kvazičástice se objevují v obou typech kapalin, Fermiho pouze ve Fermiho kapalinách. Na rozdíl od kapalných atomů se kvazičástice neustále rodí a zanikají ve vzájemných interakcích, přičemž jejich rozložení v rovnovážném stavu je dáno odpovídající statistikou s konečnou teplotou.

Zvláštnost vlastností kvantových kapalin je spojena s tvarem spektra elementárních excitací, tedy se závislostí energie kvazičástice na její hybnosti. Kapaliny Bose tedy vykazují vlastnost supratekutosti spojenou s lineární závislostí elementární excitační energie na hybnosti při nízké hybnosti a ve Fermiho kapalinách se útlum zvuku zvyšuje s klesající teplotou, takže při absolutní nule je ve Fermiho kapalinách běžný zvuk (nesený Fermiho kvazičásticemi) se nemůže šířit, ale takzvaný nulový zvuk , nesený Boseho excitacemi kvantové Fermiho kapaliny, existuje a může se šířit.

Dalším efektem, ke kterému dochází ve Fermiho kvantových kapalinách, je párování kvazičástic, ke kterému dochází při nízkých teplotách, pokud jsou kvazičástice k sobě přitahovány. V tomto případě tvoří pod určitou teplotou kvazičástice s opačně orientovanou hybností páry, které se chovají jako bosony, a proto vykazují supratekutost. Vodivostní elektrony v kovu jsou jakousi Fermiho kapalinou, která je ovlivněna periodickým polem krystalové mřížky [1] . Za podmínek extrémně nízké teploty mohou elektrony kondenzovat do kvantové kapaliny Cooperových párů se supravodivostí .

Supratekuté kapaliny obsahují Boseův kondenzát svých základních částic a je popsán makroskopickou vlnovou funkcí. Velikost makroskopické koherence této složky kondenzátu umožňuje její použití pro vysoce přesná měření, jako například u SQUID .

Neutrony v neutronových hvězdách také pravděpodobně vytvoří kvantovou kapalinu, možná supratekutinu.

Poznámky

  1. ↑ 1 2 Quantum liquid - Physical Encyclopedic Dictionary. — M.: Sovětská encyklopedie. Šéfredaktor A. M. Prochorov. 1983.
  2. ↑ Kvantová kapalina - článek z Fyzikální encyklopedie v 5 svazcích. — M.: Sovětská encyklopedie. Šéfredaktor A. M. Prochorov. 1988.

Literatura

Použitý

Kvantová tekutina - článek z Fyzikální encyklopedie v 5 svazcích. — M.: Sovětská encyklopedie. Šéfredaktor A. M. Prochorov. 1988.

Doporučeno
  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie