КВАНТОВАЯ ЖИДКОСТЬ

Жидкость, св-ва к-рой определяются квант. эффектами (сохранением жидкого состояния до абс. нуля темп-ры, сверхтекучестью, существованием нулевого звука и др.). К. ж. явл. гелий жидкий при темп-ре, близкой к абс. нулю. Квант. эффекты начинают проявляться в жидкости при достаточно низких темп-pax, когда длина волны де Бройля для ч-ц жидкости, вычисленная по энергии их теплового движения, становится сравнимой с расстоянием между ними. Для жидкого гелия это условие выполняется при 2—3 К. Согласно представлениям классич. механики, с понижением темп-ры кинетич. энергия ч-ц любого тела должна уменьшаться. В системе взаимодействующих ч-ц при достаточно низкой темп-ре ч-цы будут совершать малые колебания около положений, соответствующих минимуму потенц. энергии всего тела. При абс. нуле темп-ры колебания должны прекратиться, а ч-цы занять строго определ. положения, т. е. любое тело должно превратиться в кристалл. Поэтому сам факт существования жидкостей вблизи абс. нуля темп-ры связан с квант. эффектами. Согласно квантово-механическому неопределённостей соотношению, даже при абс. нуле темп-ры ч-цы не могут занять строго определ. положений, а их кинетич. энергия не обращается в нуль, остаются т. н. нулевые колебания (см. НУЛЕВАЯ ЭНЕРГИЯ). Амплитуда этих колебаний тем больше, чем слабее силы вз-ствия между ч-цами и меньше их масса. Если амплитуда нулевых колебаний сравнима со ср. расстоянием между ч-цами тела, то такое тело может остаться жидким вплоть до абс. нуля гемп-ры.

Из всех в-в только два изотопа гелия (4Не и 3Не) имеют достаточно малую ат. массу и настолько слабое вз-ствне между атомами, что остаются при атм. давлении жидкими в непосредств. близости от нуля. Они представляют собой, следовательно, К. ж.

К. ж. делятся на бозе-жидкости и ферми-жидкости (в соответствии с целым или полуцелым значением спина ч-ц, образующих К. ж., (см. СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА). Бозе-жидкостью является, напр., жидкий 4Не, атомы к-рого обладают спином, равным нулю; ферми-жидкостью (при атм. давлении) — жидкий 3Не, атомы к-рого имеют спин 1/2. Своеобразной К. ж. (ферми-жидкостью) явл. эл-ны проводимости в нормальном (несверхпроводящем) металле (спин эл-на равен 1/2). Осн. отличия электронной ферми-жидкости от атомной — присутствие у её ч-ц электрич. заряда и то, что они находятся в периодич. поле кристаллич. решётки металла. Впервые св-ва К. ж. были открыты и исследованы у жидкого 4Не П. Л. Капицей (1938). Теор. представления, развитые для объяснения осн. эффектов в жидком гелии, легли в основу общей теории К. ж. Гелий 4Не при темп-ре 2,171 К и давлении насыщ. пара испытывает фазовый переход II рода в новое состояние (Не II) со специфич. квант. св-вами, из к-рых основным явл. сверхтекучесть. Согласно квант. механике, любая система взаимодействующих ч-ц может находиться только в определ. квант. состояниях, характерных для всей системы в целом. При этом энергия всей системы может меняться определ. порциями — квантами. Такое изменение энергии в К. ж. сопровождается рождением или уничтожением элем. возбуждений — кваяичастиц (напр., в Не II — фононов), характеризующихся определ. импульсом р, энергией ?(р) и спином. В ферми-жидкостях квазичастицы могут возникать и исчезать лишь парами, в бозе-жидкостях — поодиночке. Пока число квазичастиц мало, что соответствует низким темп-рам, их вз-ствие также мало и можно считать, что они образуют идеальный газ квазичастиц (фермионов в ферми-жидкостях и бозонов в бозе-жидкостях).

Если К. ж. течёт с нек-рой скоростью v через узкую трубку или щель, то её торможение за счёт трения состоит в образовании квазичастиц с импульсом р, направленным противоположно скорости v. В результате торможения энергия К. ж. должна убывать, но это происходит лишь в том случае, если скорость течения v больше мин. значения отношения ?(р)/p. При скоростях v, меньших наименьшего значения ?(р)/р (определяющего т. н. критич. скорость vк), квазичастицы не образуются и жидкость не тормозится. Т. о., К. ж., у к-рых vк?0, будут сверхтекучими при скоростях v < vК. Если же vк=0, то такая К. ж. не обладает сверхтекучестью. Теоретически предсказанный Л. Д. Ландау и экспериментально подтверждённый энергетич. спектр ?(р) квазичастиц в Не II удовлетворяет требованию vК?=0. Невозможность образования при течении с v < vК новых квазичастиц в Не II приводит к своеобразной д в у х ж и д к о с т н о й г и д р о д и н а м и к е (см. ГЕЛИЙ ЖИДКИЙ, СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ). У ферми-жидкостей (жидкого 3Не при темп-pax от 3,19 К и ниже при норм. давлении и эл-нов в несверхпроводящих металлах) энергетич. спектр квазичастиц таков, что их энергия может быть сколь угодно малой при конечном значении импульса. Это приводит к vк=0. т. е. к отсутствию сверхтекучести. Изменение состояния газа квазичастиц при темп-pax, близких к абс. нулю, определяет изменение состояния К. ж. При темп-ре абс. нуля квазичастицы стремятся занять состояния с наинизшими энергиями, но в ферми-жпдкости вследствие Паули принципа они находятся не в одном состоянии, а заполняют в импульсном пр-стве «фермиевскую сферу», вне к-рой квазичастиц нет. Радиус этой сферы наз. фермиевским импульсом рф, он определяется числом атомов n К. ж. в ед. объёма:

рФ=(Зp2)1/3n1/3h.

При Т?0 появляются квазичастицы с импульсами р>PФ, а внутри сферы — дырки. Изменения, происходящие с квазичастицами вблизи поверхности фермиевской сферы (Ферми поверхности), определяют все явления, к-рые наблюдаются в ферми-жидкостях вблизи абс. нуля темп-ры.

Вблизи поверхности Ферми

?(р)— ?(рф)=vф(р-pФ),

где vф — скорость ч-цы на поверхности Ферми.

Отношение рф/vф=m*, называемое эфф. массой квазичастицы, не совпадает с истинной массой атома от, и её величина зависит от хар-ра вз-ствия атомов в К. ж. Напр., в 3Не m*=2,3 m. Вз-ствие квазнчастиц в ферми-жидкости проявляется, в частности, в том, что в жидкости при Т=0 могут распространяться незатухающие колебания — нулевой звук.

Если между ч-цами ферми-жидкости имеется притяжение, то при темп-ре ниже нек-рой критической Тк (связанной с величиной притяжения) квазичастицы объединяются в т. н. куперовские пары. Эти пары подчиняются статистике Бозе и образуют т. и. сверхтекучую ферми-жидкость, т. к. для разрыва пары и создания возбуждения необходимо затратить конечную энергию и соотв. vк?0. Сверхтекучесть электронной ферми-жидкости проявляется как сверхпроводимость. Теория электронных сверхтекучих ферми-жидкостей была развита Дж. Бардином, Л. Купером и Дж. Шриффером (1957), а также Н. Н. Боголюбовым (1958) (см. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ).

В жидком 3Не притяжение между квазичастицами очень мало и характерно только для больших расстояний, т. е. оно обусловлено слабыми силами межмолекулярного взаимодействия, а на близких расстояниях имеется сильное отталкивание. Соответственно, ч-цы, образующие в 3Не куперовскую пару, должны находиться далеко друг от друга, что приводит к существованию у пары орбит. момента, т. е. пары вращаются. Переход 3Не в такое сверхтекучее состояние был предсказан теоретически Л. П. Питаевским (1959) и в 1972 открыт амер. физиками Д. Ли, Д. Ошеровым и Р. Ричардсоном. Темп-pa фазового перехода Tк, равная 2,6•10-3 К при давлении 34 атм, плавно уменьшается (при падении давления р) вплоть до Тк=0,9•10-3 К (при р=0).

Св-ва сверхтекучего 3Не существенно отличаются как от св-в сверхтекучего 4Не, так и от сверхтекучей ферми-жидкости в сверхпроводниках. Существуют две сверхтекучие модификации 3Не. Квазичастицы в 3Не образуют куперовские пары с суммарным спином и орбит. моментом, равными постоянной Планка h. Модификация, называемая A-фазой и существующая при более высоких темп-pax, соответствует конечной макроскопич. плотности орбит. момента кол-ва движения. • Соответственно этому, А -фаза — анизотропная жидкость, похожая на жидкие кристаллы. Вторая модификация, .B-фаза, также анизотропна, но ср. плотность орбит. момента кол-ва движения в ней равна нулю. В обеих фазах существуют сверхтекучие потоки не только массы, как в обычной сверхтекучей жидкости, но и спинового момента кол-ва движения. Поэтому сверхтекучесть 3Не описывается большим набором величин, чем сверхтекучее безвихревое движение 4Не. В частности, в сильно анизотропной фазе А сверхтекучее движение не всегда возможно, т. к. по нек-рым направлениям в ней vк=0.