Фізика квантових рідин. Частина друга.

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Дворідинна модель гелію пояснює його виключно високу теплопровідність. У звичайній рідини теплопровідність пов’язана з поступовим «розгойдуванням» молекул молекулами сусідніх шарів. Це порівняно малоефективний механізм. У рідкому гелії тепло передається поточними в протилежні сторони потоками нормальної і надтекучої рідини. Цікаво, що в цілому рідкий гелій при цьому не переміщається. Наявність протитечій нормальної і надтекучої в гелії чудово проявляється у відомому досліді П. Л. Капіци.

Як вже говорилося, кількість квазічастинок тим більше, чим вище температура гелію. Якщо ми будемо випускати гелій з посудини по вузькій трубці, то по ній потече тільки надтекуча рідина, температура якої близька до абсолютного нуля. Збудження, що залишилося в посудині, тепер буде розподілятися на меншу кількість гелію. Отже, щільність їх збільшиться, і температура гелію в посудині почне зростати.

Крім цих явищ, в гелії відбувається багато інших. З них відзначимо лише особливості поширення звуку. Виявляється, що, крім звичайного звуку, що представляє собою хвилю стискування і розрідження, в рідкому гелії може поширюватися так званий другий звук, що представляє собою незгасаючі температурні хвилі. Взагалі кажучи, температурні хвилі можуть поширюватися в будь-яких тілах, але вони дуже швидко згасають, Незатухаючі температурні хвилі мають місце тільки в рідкому гелії. Цікаво відзначити, що в такій хвилі нормальна і надтекуча рідини рухаються назустріч одна одній, так що ніякого реального переміщення рідини не відбувається. Зважаючи на це в такій хвилі відсутні стискування і розрідження.

Хоча при підвищенні температури уявлення про елементарні збудження і перестає відповідати дійсності, двох рідинна модель як і раніше може бути застосована. У міру нагрівання гелію в ньому збільшується кількість нормальної рідини і зменшується кількість надтекучої. Нарешті настає момент, коли надтекуча компонента зникає зовсім. Це відбувається при 2,18 ° К. При більш високих температурах рідкий гелій поводиться, як звичайна рідина.

Інший рідкий ізотоп гелію – Не3 – не володіє такими дивовижними якостями, хоча і відрізняється від звичайної рідини. Зокрема, слід зазначити, що якщо вивчати поширення звуку заданої частоти в гелії 3 і при цьому знижувати температуру, то виявиться, що в певному діапазоні температур звук в Не3 взагалі не поширюється. При подальшому зниженні температури звук знову проходить через рідкий гелій 3, але швидкість звуку вже не та, що була при більш високій температурі. (Треба сказати, що ці особливості поширення звуку повинні мати місце при дуже низьких температурах – нижче 0,03 ° К. Зважаючи на це описане явище поки ще залишається теоретичним пророкуванням і на досліді не отримано).

Рідкий гелій 3 та електронна рідина в металах при низьких температурах не виявляють надтекучості, хоча вони є квантовими рідинами і багато в чому відрізняються від звичайних.

Далі буде.

Автор: А. Абрикосов.