Supratekutost

Supratekutost  je schopnost látky ve speciálním stavu ( kvantová kapalina ), ke které dochází při teplotách blízkých absolutní nule ( termodynamická fáze ), proudit úzkými štěrbinami a kapilárami bez tření . Až donedávna byla supratekutost známa pouze pro kapalné helium , nicméně v roce 2000 byla supratekutost objevena také v jiných systémech: ve zředěných atomárních Boseových kondenzátech , pevném héliu .

Supratekutost je vysvětlena následovně. Protože atomy helia -4 jsou bosony (6 fermionů dává celočíselný spin ), kvantová mechanika umožňuje, aby byl libovolný počet takových částic v jednom stavu. V blízkosti absolutní nuly jsou všechny atomy helia ve stavu základní energie. Protože energie stavů je diskrétní, atom nemůže přijímat žádnou energii, ale pouze takovou, která se rovná energetické mezeře mezi sousedními energetickými hladinami . Ale při nízkých teplotách může být srážková energie menší než tato hodnota, v důsledku čehož k disipaci energie jednoduše nedojde. Kapalina bude proudit bez tření.

Historie objevů

Supratekutost kapalného helia-II pod bodem lambda (T = 2,172 K ) byla experimentálně objevena v roce 1938 P. L. Kapitzou ( 1978 Nobelova cena za fyziku ) a Johnem Allenem . Již dříve bylo známo, že při průchodu tímto bodem dochází u kapalného helia k fázovému přechodu , přechází ze zcela „normálního“ stavu (tzv. helium-I ) do nového stavu tzv. helia-II , avšak pouze Kapitsa ukázal, že helium-II teče vůbec (v rámci experimentálních chyb) bez tření.

Teorii fenoménu supratekutého helia-II vypracoval L. D. Landau ( 1962 Nobelova cena za fyziku ) .

Klíčová fakta

Viskozita helia-II měřená těmito dvěma experimenty je velmi odlišná. Měření rychlosti výtoku helia-II z nádoby úzkou štěrbinou při působení gravitace ukazuje velmi nízkou viskozitu (méně než 10 −12  Pa·s ). Měření doby doznívání torzních kmitů disku ponořeného do helia-II ukazuje viskozitu větší než je viskozita helia-I ( 10 −6  Pa s ) [1] .

Proces vedení tepla v heliu-II je velmi odlišný od procesu přenosu tepla v normální kapalině - teplo je vedeno přes helium-II a při libovolně malém rozdílu teplot. [jeden]

Dvoutekutinový model helia-II

V modelu dvou tekutin (také známého jako „dvousložkový model“) je helium-II směs dvou vzájemně se prolínajících kapalin: supratekuté a normální složky. Supratekutá složka je ve skutečnosti kapalné helium, které je v kvantově korelovaném stavu, poněkud podobném stavu Boseho kondenzátu (ovšem na rozdíl od kondenzátu atomů řídkého plynu je interakce mezi atomy helia v kapalině poměrně silná, takže teorie Boseho kondenzátu není použitelná přímo pro kapalné helium). Tato součástka se pohybuje bez tření, má nulovou teplotu a nepodílí se na přenosu energie ve formě tepla. Normální složkou je plyn dvou typů kvazičástic : fononů a rotonů , tedy elementárních excitací kvantově korelované tekutiny ; pohybuje se třením a podílí se na přenosu energie.

Při nulové teplotě není v heliu žádná volná energie, která by mohla být vynaložena na tvorbu kvazičástic, a proto je helium zcela v supratekutém stavu. S rostoucí teplotou roste hustota plynu kvazičástic (především fononů) a klesá podíl supratekuté složky. V blízkosti teploty bodu lambda se koncentrace kvazičástic tak zvýší, že již netvoří plyn, ale kapalinu z kvazičástic, a nakonec, když je teplota bodu lambda překročena, makroskopická kvantová koherence se ztrácí a supratekutá složka zcela zmizí. Relativní podíl normální složky je na Obr. 1 .

Když helium proudí štěrbinami nízkou rychlostí, supratekutá složka podle definice obtéká všechny překážky bez ztráty kinetické energie, tedy bez tření. Tření by mohlo nastat, pokud by jakýkoli výstupek štěrbiny vytvářel kvazičástice, které unášely hybnost kapaliny v různých směrech. Takový jev při nízkých rychlostech proudění je však energeticky nepříznivý a teprve při překročení kritické rychlosti proudění začnou vznikat rotony .

Tento model za prvé dobře vysvětluje různé termomechanické, světelně-mechanické a další jevy pozorované v heliu-II a za druhé je pevně založen na kvantové mechanice .

Viskozita helia-II, měřená rychlostí jeho vytékání z nádoby úzkou štěrbinou působením gravitace, se ukazuje jako velmi nízká vzhledem k tomu, že supratekutá složka protéká štěrbinou velmi rychle bez tření. Viskozita helia-II, měřená rychlostí tlumení kmitů torzního kotouče, se ukazuje jako nenulová vzhledem k tomu, že normální složka velmi rychle zpomaluje svou rotaci [1] .

Přenos tepla v heliu-II se provádí šířením zvukových vln, které přenášejí energii v jednom směru více než v opačném směru. Normální složka se pohybuje spolu s nimi a supratekutá složka, která teplo nepřenáší, se pohybuje opačným směrem [1] .

Supratekutost v jiných systémech

• Byl sestrojen supratekutý model atomového jádra, který poměrně dobře popisuje experimentální data [2] .
• V roce 1995 bylo při experimentech se zředěnými plyny alkalických kovů dosaženo teplot, které byly dostatečně nízké na to, aby plyn přešel do stavu Bose-Einsteinova kondenzátu . Jak se dalo z teoretických výpočtů očekávat, výsledný kondenzát se choval jako supratekutá kapalina. V následných experimentech bylo zjištěno, že když se tělesa pohybují tímto kondenzátem rychlostí menší než je kritická, nedochází k žádnému přenosu energie z tělesa do kondenzátu.
• V roce 2000 Jan Peter Thoennis demonstruje supratekutost vodíku při 0,15 K [3]
• V roce 2004 byl také oznámen objev supratekutosti v pevném heliu . Následné studie ale ukázaly, že situace zdaleka není tak jednoduchá, a proto je zatím předčasné hovořit o experimentálním objevu tohoto jevu.
• Od roku 2004 se na základě výsledků řady teoretických prací [4] předpokládá, že při tlacích řádově 4 miliony atmosfér a vyšších se vodík při jakémkoli ochlazení stává neschopným přejít do pevné fáze (jako helium při normální tlak), čímž se vytvoří supratekutá kapalina. Zatím neexistují žádná přímá experimentální potvrzení ani vyvrácení.
• Existují také práce, které předpovídají supratekutost ve studeném neutronovém nebo kvarkovém stavu agregace . To může být důležité pro pochopení fyziky neutronových a kvarkových hvězd .
• V roce 2005 byla objevena supratekutost ve studeném zředěném plynu fermionů [5] .
• V roce 2009 byla prokázána supratekutost typu „ superpevná “ ve studeném zředěném plynu rubidia [6] .

Moderní směry výzkumu

• Turbulence v supratekuté kapalině
• Supratekutost v systémech s vnitřními stupni volnosti
• Vztah mezi supravodivou a supratekutou fází
• Spin supratekutost
• Hledání nových látek se supratekutými fázemi

Poznámky

1. ↑ 1 2 3 4 Andreev A.F. Supratekutost kapalného helia // Školáci o moderní fyzice. Fyzika pevných látek. - M., Osvícení , 1975. - Str. 6-20
2. ↑ Supravodivost a supratekutost, 1978 , str. 127.
3. ↑ Důkaz pro supratekutost v para-vodíkových klastrech uvnitř kapiček hélia-4 při 0,15 Kelvina Archivováno 26. července 2008 na Wayback Machine 
4. ↑ Egor Babaev; Asle Sudbo, NW Ashcroft. Přeměna supravodičové fáze na supratekutou v kapalném kovovém vodíku  (Angl.) (18. října 2004). Získáno 20. března 2009. Archivováno z originálu dne 28. července 2017.
5. ↑ Supratekutost ve studeném zředěném fermionovém plynu . Získáno 24. června 2005. Archivováno z originálu 8. dubna 2014. (neurčitý)
6. ↑ Supratekutost typu "Supersolid" ve studeném zředěném plynu rubidia . Datum přístupu: 19. března 2009. Archivováno z originálu 11. února 2011. (neurčitý)

Viz také

• Landauovo kritérium supratekutosti
• Supravodivost

Odkazy

• Landau L.D., Lifshits E.M. Hydrodynamika. — M.: Nauka, 1986, 736 s.
• Zaiko Yu. N. Šíření vln v tekutině proudící v tekutině s pružnými stěnami // Letters to ZhTF, 2001, vol. 27, no. 16, str. 27-31.
• Zaiko Yu. N. Model proudění tekutiny v nádobě s pružnými stěnami // Letters to ZhTF, 2002, vol. 28, no. 24, str. 15-19.
• PW Carpenter, C. Davis, AD Lucey. Hydrodynamika a vyhovující stěny: Má delfín tajemství? //Aktuální věda, 25. září 2000, sv. 70, č. 6, s. 758-765.
• Shapiro L.S. Vytvoření a vývoj ponorky. K patentům přírody
• O roli oscilací nulového bodu při vzniku supravodivých a supratekutých stavů
• Supratekuté helium

Recenze článků

• Ginzburg V. L. — Supratekutost a supravodivost ve vesmíru
• Dmitriev V. V. Spin superfluidity in ³He, UFN, v.175 (2005), N.1, 85-92

Literatura

• Kresin VZ Supravodivost a supratekutost. — M .: Nauka, 1978. — 187 s.
• Bondarev BV Metoda matice hustoty v kvantové teorii supratekutosti. - M. : Sputnik, 2014. - 91 s.
• Tilly D.R., Tilly J. Supratekutost a supravodivost. — M .: Mir, 1977. — 304 s.
• Patterman S. Hydrodynamika supratekuté kapaliny. — M .: Mir, 1978. — 520 s.

Slovníky a encyklopedie	Velká dánština Skvělý norský Velký Rus okolo světa Britannica (online) Universalis
V bibliografických katalozích	NDL : 00573671 NKC : ph187932