Квантовая жидкость относится к любой системе, которая демонстрирует квантово-механические эффекты на макроскопическом уровне, например, сверхтекучие жидкости , сверхпроводники , ультрахолодные атомы и т. д. Обычно квантовые жидкости возникают в ситуациях, когда существенны как квантово-механические эффекты, так и квантово-статистические эффекты.
Большая часть материи находится в твердом или газообразном состоянии (при низкой плотности) вблизи абсолютного нуля . Однако для случаев 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 межатомных расстояний.
В случае твердых квантовых жидкостей только часть ее 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, чтобы установить сверхток с сопротивлением, близким к нулю.
Квантово-механические эффекты становятся значимыми для физики в диапазоне длины волны де Бройля . Для конденсированного вещества это происходит, когда длина волны де Бройля частицы больше расстояния между частицами в решетке, из которой состоит вещество. Длина волны де Бройля, связанная с массивной частицей, равна
где h — постоянная Планка. Импульс можно найти из кинетической теории газов , где
Здесь температуру можно найти как
Конечно, мы можем заменить здесь импульс на импульс, полученный из длины волны де Бройля, например, так:
Следовательно, мы можем сказать, что квантовые жидкости будут проявляться в приблизительных температурных областях, где , где d — это расстояние между решетками (или расстояние между частицами). Математически это выражается так:
Легко увидеть, как приведенное выше определение соотносится с плотностью частиц n. Мы можем записать
как для трехмерной решетки
Вышеуказанный предел температуры имеет разное значение в зависимости от квантовой статистики, которой следует каждая система, но в целом относится к точке, в которой система проявляет свойства квантовой жидкости. Для системы фермионов , является оценкой энергии Ферми системы, где происходят процессы, важные для таких явлений, как сверхпроводимость. Для бозонов , дает оценку температуры конденсации Бозе-Эйнштейна.
