Сверхтекучесть — характерное свойство жидкости с нулевой вязкостью , которая, следовательно, течет без потери кинетической энергии . При перемешивании сверхтекучая жидкость образует вихри , которые продолжают вращаться бесконечно. Сверхтекучесть наблюдается в двух изотопах гелия ( гелий-3 и гелий-4 ), когда они сжижаются при охлаждении до криогенных температур. Это также свойство различных других экзотических состояний материи, существование которых предполагается в астрофизике , физике высоких энергий и теориях квантовой гравитации . [1] Теория сверхтекучести была разработана советскими физиками-теоретиками Львом Ландау и Исааком Халатниковым .
Сверхтекучесть часто сопутствует конденсации Бозе-Эйнштейна , но ни одно из этих явлений не связано напрямую с другим; не все конденсаты Бозе-Эйнштейна можно считать сверхтекучими, и не все сверхтекучие жидкости являются конденсатами Бозе-Эйнштейна. [ необходима цитата ] Сверхтекучие жидкости имеют некоторые потенциальные практические применения, такие как растворение веществ в квантовом растворителе .
Сверхтекучесть была открыта в гелии-4 Петром Капицей [2] и независимо Джоном Ф. Алленом и Доном Мизенером [3] в 1937 году. Оннес , возможно, наблюдал сверхтекучий фазовый переход 2 августа 1911 года, в тот же день, когда он наблюдал сверхпроводимость в ртути. [4] С тех пор он был описан с помощью феноменологии и микроскопических теорий.
В жидком гелии-4 сверхтекучесть возникает при гораздо более высоких температурах, чем в гелии-3 . Каждый атом гелия-4 является бозонной частицей в силу своего целочисленного спина . Атом гелия-3 является фермионной частицей; он может образовывать бозоны только путем спаривания с другой такой же частицей, что происходит при гораздо более низких температурах. Открытие сверхтекучести в гелии-3 послужило основанием для присуждения Нобелевской премии по физике 1996 года . [1] Этот процесс аналогичен спариванию электронов в сверхпроводимости .
Сверхтекучесть в ультрахолодном фермионном газе была экспериментально доказана Вольфгангом Кеттерле и его командой, которые наблюдали квантовые вихри в литии-6 при температуре 50 нК в Массачусетском технологическом институте в апреле 2005 года. [5] [6] Такие вихри ранее наблюдались в ультрахолодном бозонном газе с использованием рубидия-87 в 2000 году, [7] и совсем недавно в двумерных газах . [8] Еще в 1999 году Лене Хау создала такой конденсат, используя атомы натрия [9] с целью замедления света, а затем и полной его остановки. [10] Ее команда впоследствии использовала эту систему сжатого света [11] для создания сверхтекучего аналога ударных волн и торнадо: [12]
Эти драматические возбуждения приводят к образованию солитонов , которые в свою очередь распадаются на квантованные вихри — созданные далеко от равновесия, в парах противоположной циркуляции — непосредственно раскрывая процесс сверхтекучего распада в конденсатах Бозе-Эйнштейна. С двойной установкой светового барьера мы можем генерировать контролируемые столкновения между ударными волнами, приводящие к совершенно неожиданным, нелинейным возбуждениям. Мы наблюдали гибридные структуры, состоящие из вихревых колец, встроенных в темные солитонные оболочки. Вихревые кольца действуют как «фантомные пропеллеры», приводящие к очень богатой динамике возбуждения.
— Лене Хау, Конференция SIAM по нелинейным волнам и когерентным структурам
Идея о том, что сверхтекучесть существует внутри нейтронных звезд, была впервые высказана Аркадием Мигдалом . [13] [14] По аналогии с электронами внутри сверхпроводников, образующими куперовские пары из-за взаимодействия электронов с решеткой, ожидается, что нуклоны в нейтронной звезде при достаточно высокой плотности и низкой температуре также могут образовывать куперовские пары из-за дальнодействующей ядерной силы притяжения и приводить к сверхтекучести и сверхпроводимости. [15]
Теория сверхтекучего вакуума (СТВ) — это подход в теоретической физике и квантовой механике , в котором физический вакуум рассматривается как сверхтекучая жидкость. [ необходима ссылка ]
Конечной целью подхода является разработка научных моделей, объединяющих квантовую механику (описывающую три из четырех известных фундаментальных взаимодействий) с гравитацией . Это делает SVT кандидатом на теорию квантовой гравитации и расширение Стандартной модели . [ необходима цитата ]
Есть надежда, что разработка такой теории позволит объединить в единую последовательную модель все фундаментальные взаимодействия и описать все известные взаимодействия и элементарные частицы как различные проявления одной и той же сущности — сверхтекучего вакуума. [ необходима цитата ]
В макромасштабе было высказано предположение о более крупном подобном явлении, происходящем в журчании скворцов . Скорость изменения схем полета имитирует фазовый переход, приводящий к сверхтекучести в некоторых жидких состояниях. [16]
Свет ведет себя как сверхтекучая жидкость в различных приложениях, таких как пятно Пуассона . Как и жидкий гелий, показанный выше, свет будет перемещаться вдоль поверхности препятствия, прежде чем продолжить движение по своей траектории. Поскольку свет не подвержен влиянию локальной гравитации, его «уровень» становится его собственной траекторией и скоростью. Другой пример — как луч света проходит через отверстие апертуры и вдоль ее задней стороны до дифракции. [ требуется ссылка ]
Цитаты, связанные с Сверхтекучестью в Викицитатнике
Медиа, связанные с Сверхтекучестью на Wikimedia Commons