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 возникает у двух изотопов гелия ( гелий-3 и гелий-4 ) , когда они сжижаются путем охлаждения до криогенных температур. Это также свойство различных других экзотических состояний материи, существование которых теоретически существует в астрофизике , физике высоких энергий и теориях квантовой гравитации . [1] Теорию сверхтекучести разработали советские физики-теоретики Лев Ландау и Исаак Халатников .
Сверхтекучесть часто сочетается с конденсацией Бозе-Эйнштейна , но ни одно из явлений не связано напрямую с другим; не все конденсаты Бозе-Эйнштейна можно рассматривать как сверхтекучие жидкости, и не все сверхтекучие жидкости являются конденсатами Бозе-Эйнштейна. [ нужна цитация ] 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 . Возможно, Оннес 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, но при гораздо более низких температурах. Открытие сверхтекучести гелия-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] Подобные вихри ранее наблюдались в ультрахолодном газе. бозонный газ 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 его полной остановки. [10] Ее команда впоследствии использовала эту систему сжатого света [11] для генерации сверхтекучего аналога ударных волн и торнадо: [12]
Эти драматические возбуждения приводят к образованию солитонов , которые, в свою очередь, распадаются на квантованные вихри , созданные далеко за пределами равновесия, в парах противоположной циркуляции, что непосредственно демонстрирует процесс сверхтекучего распада в конденсатах Бозе-Эйнштейна. С помощью установки двойного светового барьера мы можем генерировать контролируемые столкновения между ударными волнами, приводящие к совершенно неожиданным нелинейным возбуждениям. Мы наблюдали гибридные структуры, состоящие из вихревых колец, заключенных в темные солитонные оболочки. Вихревые кольца действуют как «фантомные пропеллеры», что приводит к очень богатой динамике возбуждения.
- Лене Хау, конференция SIAM по нелинейным волнам и когерентным структурам
Идею о существовании сверхтекучести внутри нейтронных звезд впервые высказал Аркадий Мигдал . [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 дальнодействующего притяжения. ядерные силы и приводят к сверхтекучести и сверхпроводимости. [15]
Теория сверхтекучего вакуума (СВТ) — это подход в теоретической физике и квантовой механике , в котором физический вакуум рассматривается как сверхтекучий.
Конечная цель подхода — разработка научных моделей, которые объединяют квантовую механику (описывающую три из четырех известных фундаментальных взаимодействий) с гравитацией . Это делает SVT кандидатом на роль теории квантовой гравитации и расширения Стандартной модели .
Есть надежда, что развитие такой теории позволит объединить в единую непротиворечивую модель всех фундаментальных взаимодействий и описать все известные взаимодействия и элементарные частицы как различные проявления одной и той же сущности — сверхтекучего вакуума.
В макромасштабе предполагается, что более крупное подобное явление происходит с журчанием скворцов . Быстрота изменения моделей 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 в случае с жидким гелием, показанным выше, свет будет проходить вдоль поверхности препятствия, прежде чем продолжить движение по своей траектории. Поскольку на свет не влияет местная гравитация, его «уровень» становится собственной траекторией и скоростью. Другой пример — как луч света проходит через отверстие апертуры и вдоль ее задней стороны до дифракции.
Цитаты, связанные со сверхтекучестью, в Wikiquote
СМИ, связанные со сверхтекучестью, на Викискладе?