КВАНТОВАЯ ЖИДКОСТЬ


КВАНТОВАЯ ЖИДКОСТЬ
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.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. . 1983.

КВАНТОВАЯ ЖИДКОСТЬ

- жидкость, на свойства к-рой существ. влияние оказывают квантовые эффекты в поведении составляющих её частиц. Квантовые эффекты становятся существенными при очень низких темп-pax, когда волна де Бройля частиц, отвечающая их тепловому движению, становится сравнимой с расстоянием между ними и происходит квантовое вырождение жидкости. С понижением темп-ры роль квантовых эффектов увеличивается, и при достаточно низкой темп-ре любая жидкость должна была бы стать квантовой. Однако подавляющее большинство обычных жидкостей затвердевает раньше, чем квантовые эффекты начинаютпроявляться сколько-нибудь заметно. Поэтому фактически в прямом лаб. эксперименте приходится иметь дело с двумя К. ж.- изотопами гелия: жидким 4 Не и жидким 3 Не (а также с их смесями) при темп-pax ~ 1-2 К. К. ж., по-видимому, образуют нейтроны в нейтронных звёздах. В определ. смысле К. ж. составляют электроны в металлах и полупроводниках и экситоны в экситонных каплях в диэлектриках, а также протоны и нейтроны в атомных ядрах. <К. ж. классифицируют по статистике составляющих их частиц. Жидкость, состоящая из частиц с целым спином, бозонов (жидкий 4 Не), наз. бозе-жидкостью, а из частиц с полуцелым спином, фермионов (жидкий 3 Не),- ферми-жидкостью.
Элементарные возбуждения. Квантовые эффекты особенно ярко проявляются при низких темп-pax, когда жидкость находится в слабовозбуждённых состояниях, близких к основному квантовому состоянию. Выявление свойств таких состояний - осн. задача теории К. ж. Важнейшее положение этой теории состоит в том, что переход пространственно-однородной К. ж. из осн. состояния в слабовозбуждённое можно описать как появление в ней газа квазичастиц, или элементарных возбуждений, каждое из к-рых обладает определёнными импульсом и энергией. Энергия квазичастицы e определяется её импульсом р. Зависимость e( р)- закон дисперсии квазичастиц - является важнейшей характеристикой К. ж. Всякое слабовозбуждённое состояние жидкости характеризуется распределением квазичастиц по импульсам. <Кроме импульса состояние квазичастицы в изотропной К. ж. характеризуется спиральностью - проекцией угл. момента на направление импульса. Квазичастицы, отличающиеся знаком спиральности, в жидкости, инвариантной относительно пространственной инверсии, имеют одну и ту же энергию, т. е. состояния квазичастиц с отличной от нуля спиральностью двукратно вырождены. <Как и обычные частицы, квазичастицы подчиняются определ. статистике- Бозе - Эйнштейна статистике или Ферми - Дирака статистике. Квазичастицы с целой (включая нуль) спиральностью являются бозонами, с полуцелой - фермионами. При этом поскольку проекция угл. момента жидкости может меняться лишь на целое число (в единицах h), фермиевские квазичастицы могут появляться и исчезать лишь парами квазичастица-дырка (аналогичными в известном смысле электрон-позитронным парам), а бозевские - поодиночке. В бозе-жидкости все квазичастицы являются бозонами, тогда как среди частиц ферми-жидкости могут быть как фермиевские, так и бозевские ветви. <В состоянии термодинамич. равновесия квазичастицы фермиевского и бозевского типов распределены по импульсам согласно ф-циям распределения идеальных (соответственно) ферми- и бозе-газов. <Описание возбуждённых состояний жидкости на языке квазичастиц является приближённым. Это проявляется в конечности времени жизни квазичастиц, обусловленной их взаимодействием. При отличных от абс. нуля темп-pax затухание квазичастиц связано с процессами их взаимного рассеяния и распада. При темп-ре абс. нуля рассеяние отсутствует и затухание квазичастицы связано только с процессами распада; если в том или ином интервале импульсов они запрещены законами сохранения, квазичастица является строго незатухающей.
Ферми-жидкость. Нормальная (несверхтекучая) фермиевская жидкость имеет спектр квазичастиц, аналогичный спектру идеального ферми-газа. Его естественно описывать, считая, что при темп-ре абс. нуля квазичастицы заполняют в импульсном пространстве все квантовые состояния вплоть до нек-рого фермиевского импульса pF. Рождение пары квазичастица (с импульсом р)- дырка (с импульсом р' )описывается в этой картине как переход квазичастицы с импульсом- р',первоначально находившейся внутри фермиевской сферы, в состояние с импульсом р вне этой сферы. Т. о., квазичастицы могут иметь импульсы p>pF,a дырки p<pF. Важнейшее положение теории ферми-жидкости, созданной Л. Д. Ландау в 1956, состоит в том, что определяющий распределение квазичастиц фермиевский импульс р F связан с плотностью числа реальных частиц (атомов жидкости) N/V тем же соотношением, что и в идеальном ферми-газе:

pF =h(3p2)1/3(N/V)1/3(1)

(N - число частиц, V - объём системы). В этом смысле число квазичастиц в ферми-жидкости равно числу реальных частиц жидкости. <Энергия Eферми-жидкости является функционалом от функции распределения квазичастиц п( р); её изменение при изменении п( р )определяет энергию квазичастицы e( р):
265_284-23.jpg
(здесь и далее предполагается, что распределение квазичастиц не зависит от их спиновых состояний, и опускаются спиновые индексы у всех величин).Важное отличие ферми-жидкости от идеального ферми-газа состоит в том, что энергия квазичастицы e(p) зависит от распределения всех остальных квазичастиц. Изменение e( р) при малом изменении п( р )имеет вид
265_284-24.jpg
Ф-ция f(p, р' )описывает взаимодействие между квазичастицами. <Фермиевский импульс р F связан с химическим потенциаломm жидкости равенством:

e(pF) = eF=m (4)

(eF - ферми-энергия). В окрестности фермиевского импульса

e( р) ~ m + vF(p-р F),(5)

где vF - скорость квазичастиц на фермиевской сфере. Отношение m*=pF/vF наз. эффективной массой квазичастицы. <Ввиду равенства числа частиц числу квазичастиц плотность импульса последних, делённая на массу частицы т, должна быть равна потоку их числа, что приводит к соотношению
265_284-25.jpg
варьирование к-рого по п даёт связь эфф. массы с ф-цией взаимодействия f:
265_284-26.jpg
Здесь ф-ция f(p, р' )берётся при |p|=|p'|=pF, и поэтому она зависит лишь от угла q между р и р', do'=2p sin qdq - элемент телесного угла в направлении р'.Аналогично можно получить связь ф-ции f с сжимаемостью жидкости:
265_284-27.jpg
(r=mN/V - плотность жидкости, Р - давление).Энтропия жидкости выражается через ф-цию распределения квазичастиц той же ф-лой, что и для идеального ферми-газа:
265_284-28.jpg
Распределение же квазичастиц по импульсам в состоянии термодинамич. равновесия даётся обычной ф-лойраспределения Ферми - Дирака (используется система единиц, в к-рой темп-pa Т выражается в энергетич. единицах, т. е. в к-рой k=1):
265_284-29.jpg
Это приводит к линейному по темп-ре закону теплоёмкости ферми-жидкосги:
265_284-30.jpg
Время жизни квазичастиц в ферми-жидкости определяется процессами их рассеяния. При абс. нуле темп-р они сводятся к рождению пар частица-дырка, причём вероятность такого рассеяния (с учётом принципа Паули) для квазичастицы с импульсом р пропорц. ( р-р F)2. Поэтому реальный физ. смысл имеют лишь квазичастицы вблизи поверхности Ферми, где эта вероятность мала. Аналогично ср. длина пробега квазичастиц при конечных темп-pax l ~ Т-2, так что фермиевская жидкость при низких темп-pax в кинетич. отношении ведёт себя как разреж. газ и должна описываться кинетическим уравнением. Теплопроводность ( и вязкость h ферми-жидкости с понижением темп-ры изменяются след. образом:

(~T-1, h~T-2. (10)

Соответственно с понижением темп-ры возрастает затухание звука, так что при Т=0 распространение обычного звука невозможно. Возможно, однако, распространение колебаний особого рода - нулевого звука, в к-ром происходит сложная деформация ф-ции распределения квазичастиц. Закон дисперсии этих колебаний, как и у обычного звука, линейный: w=u0k (где w - частота колебаний, k- волновое число), но скорость их распространения и0 не выражается непосредственно через сжимаемость (8), а требует для своего определения решения кинетич. ур-ния. Затухание нулевого звука пропорц. большей из величин (hw)2 и Т 2 и при низких темп-pax мало. Нулевой звук представляет собой бозевскую ветвь спектра возбуждений ферми-жидкости. <От распределения по импульсам квазичастиц, даваемого ф-лой (9), следует отличать распределение по импульсам реальных частиц. Последнее размыто даже при Т=0, однако, как и распределение квазичастиц, имеет резкий скачок при p=pF Для описания магн. свойств ферми-жидкости необходимо рассматривать ф-ции распределения частиц, зависящие от проекции их спинов на направление магн. поля. При этом ф-ция взаимодействия f является матрицей по спиновым индексам взаимодействующих частиц, к-рую в пренебрежении слабыми релятивистскими (спин-орбитальным и спин-спиновым) взаимодействиями можно записать в виде

f = Ij( р, p') +ss'G(p, р'),(11)

где I - единичная матрица, s и s' - Паули матрицы, действующие на спиновые индексы частиц с импульсами р и р',j и G - скалярные ф-ции. Магн. восприимчивость c ферми-жидкости при низких темп-pax стремится к пост. пределу:
265_284-31.jpg
где b0 - магн. момент изолированной частицы. <С микроскопич. точки зрения ф-ция взаимодействия f представляет собой амплитуду рассеяния квазичастиц "вперёд", когда передача энергии hw и передача импульса hk стремятся к нулю. Предельное значение амплитуды зависит от порядка перехода к указанному пределу, и ф-ция f выражается через амплитуду, когда w, k и k/w стремятся к нулю. <Последоват. микроскопич. вычисление параметров ферми-жидкости возможно лишь в случае разреж. системы, <т. е. ферми-газа, когда ср. расстояние между частицами велико по сравнению с длиной рассеяния а частиц друг на друге:

(N/V)-1/3>>a.(13)

В этом случае все характеристики системы можно определить, используя теорию возмущений. В частности, для эфф. массы имеем:
265_284-32.jpg
Бозе-жидкость. В области самых малых импульсов квазичастицы в бозе-жидкости являются фононами - квантами звука с законом дисперсии

e( р) = ир,(14)

где и - скорость звука, связанная со сжимаемостью жидкости при Т=0 обычной ф-лой:

u2 = дP/ дr (15)

Соответственно теплоёмкость жидкости при самых низких темп-pax имеет вид
265_284-33.jpg
Ход кривой спектра e( р )при не малых значениях импульса определяется конкретными свойствами взаимодействия атомов. В реальном 4 Не эта кривая, измеренная экспериментально с помощью неупругого рассеяния медленных нейтронов, имеет форму, показанную на рисунке. Фактически вклад в термодинамич. ф-ции жидкости, кроме начальной - фононной - части, вносят квазичастицы вблизи минимума кривой - ротоны, где кривая может быть представлена в виде
265_284-34.jpg
с эксперим. значениями параметров: D=8,7 К, р0/h=1,9.108 см -1, m* = 1,1.10-24 г. <При нормальном давлении д2e/ др2| р "0>0. Это приводит к тому, что фононы нач. части кривой могут распадаться на фононы с меньшими импульсами, что даёт при малых р затухание ~ р5. Большая же часть кривой при T=0 является незатухающей. При р~1,5 р0 кривая e( р) достигает значения 2D. В этой точке появляется возможность распада квазичастицы на два ротона с энергиями D каждый. При этом значении импульса кривая e( р) обрывается. <Важнейшим свойством бозевской жидкости при низких темп-pax является её сверхтекучесть - способность двигаться относительно сосуда без диссипации энергии. Как показал Л. Д. Ландау (1941), это свойство тесно связано с видом спектра квазичастиц. Диссипация энергии при абс. нуле темп-ры означает рождение квазичастиц при движении. Однако для спектра, показанного на рис., такой процесс невозможен при достаточно малой скорости движения в силу законов сохранения энергии и импульса. <Действительно, пусть жидкость движется относительно сосуда со скоростью V. Тогда если энергия квазичастицы в неподвижной жидкости есть e( р), то в системе координат, связанной с сосудом, её энергия равна e(p)+pV, согласно закону преобразования энергии в нерелятивистской механике. Рождение квазичастиц, связанное с диссипацией энергии, возможно, если последнее выражение отрицательно при каких-то значениях р, т. е. если скорость движения больше критич. скорости Vc (критерий Ландау):

V>Vc = min[e(p)/p]. (17)

Если правая часть выражения (17) отлична от нуля, как это имеет место для реального спектра гелия, показанного на рис., диссипация отсутствует при всехскоростях, меньших Vc. При Т=0 вся жидкость движется как сверхтекучая. При конечных темп-pax совокупность квазичастиц движется как обычная жидкость - это "нормальная часть", с к-рой связана нек-рая плотность нормальной части жидкости rn. Остальная часть плотности rs=r-rn движется как сверхтекучая жидкость. По мере увеличения темп-ры р„ увеличивается, и при нек-рой темп-ре T=Tl (Р), зависящей от давления, rs обращается в нуль и жидкость теряет свойство сверхтекучести. Линия T=Tl (Р) является линией фазовых переходов второго рода. Для 4 Не при давлении насыщенных паров Tl=2,18 К. Вблизи темп-ры перехода rs обращается в нуль по закону: rs~ (Tl - T)(2-a)/3, где a~ -0,01 - критич. показатель теплоёмкости.
265_284-35.jpg
Своеобразными особенностями обладает распределение по импульсам истинных частиц - атомов жидкости. При Т< Tl в жидкости происходит Бозе - Эйнштейна конденсация, так что в наинизшем квантовом состоянии с р=0 находится конечная доля всех атомов. Волновая ф-ция y0 этих "сконденсированных" атомов является дополнит. классич. переменной, описывающей сверхтекучую жидкость. Она записывается в виде
265_284-36.jpg
где n0 - плотность числа частиц в конденсате, j - фаза. yможно рассматривать как комплексный параметр порядка, наличие к-рого отличает сверхтекучую фазу от нормальной. Плотность числа частиц п0 не связана непосредственно с rs, однако она обращается в нуль одновременно с rs в точке перехода, хотя и по несколько иному закону: n0 ~ (Tl - T)2b, где b - критич. показатель параметра порядка. Фаза же волновой ф-ции конденсата определяет скорость сверхтекучей части бозе-жидкости (сверхтекучую скорость):
265_284-37.jpg
(m - масса атома). При низких темп-pax п0 уменьшается с повышением темп-ры по закону:
265_284-38.jpg
Распределение по импульсам частиц, не находящихся в конденсате, имеет особенность в области малых импульсов:
265_284-39.jpg
Особый характер имеет вращение сверхтекучей части бозе-жидкости. Оно происходит вокруг отд. вихревых нитей, циркуляция скорости вокруг к-рых, в силу (19), квантована и равна целому кратному от 2ph/m.Микроскопич. вычисление параметров бозе-жидкости возможно также лишь в пределе разреж. системы, удовлетворяющей условию (13), т. е. бозе-газа. Для такого газа спектр квазичастиц для любых значений р определяется ф-лой Боголюбова (Н. Н. Боголюбов, 1947):
265_284-40.jpg
При малых р спектр (20) имеет вид (14), причём скорость звука и равна и=(4ph2 па/m2)1/2. При р " : (20) переходит в спектр свободных атомов р2/2m. Плотность числа атомов в конденсате при Т=0 в этой модели равна
265_284-41.jpg
Для реальной жидкости можно получить приближённую интерполяц. ф-лу Фейнмана, связывающую спектр возбуждений со статпч. формфактором жидкости S(k), к-рый можно определить по рассеянию рентгеновских лучей жидкостью:
265_284-42.jpg
Согласно этой ф-ле, ротонному минимуму соответствует максимум S (k), связанный с ближним порядком в расположении атомов жидкости.
Сверхтекучая ферми-жидкость. При достаточно низких темп-pax состояние нормальной ферми-жидкости оказывается неустойчивым, если взаимодействие между квазичастицами имеет характер притяжения. Более точно, неустойчивость возникает, если амплитуда рассеяния квазичастиц с противоположными импульсами имеет соответствующий притяжению отрицат. знак хотя бы при одном значении относит. угл. момента I квазичастиц. Тогда с понижением темп-ры при нек-рой критич. темп-ре Т с происходит "спаривание" - образование молекулоподобных куперовских пар квазичастиц с противоположными импульсами. Эти пары являются бозонами и в нек-рых отношениях ведут себя как бозевский конденсат. Темп-pa перехода Т с экспоненциально зависит от амплитуды для соответствующего l. Ниже Т с ферми-жидкость становится сверхтекучей. Конкретные свойства сверхтекучей фазы зависят от значения момента, при к-ром происходит спаривание. Если спаривание происходит в состоянии с l=0, то жидкость остаётся изотропной. Волновая ф-ция электронных пар является в этом случае скаляром вида (18).Спектр квазичастиц ниже точки перехода меняется и приобретает вид

e( р)==[D2 + v2F(p-pF)2]1/2 (21)

Из (21) видно, что в спектре имеется "щель": мин. энергия, необходимая для рождения квазичастицы, равна D (а пары частица-дырка 2D). Щель D зависит от темп-ры и обращается в нуль при Т=Т c. При Т=0D=1,75Tc Благодаря наличию щели в спектре теплоёмкость, соответствующая фермиевской ветви возбуждений (21), при низких темп-pax экспоненциально мала. Система, однако, имеет и бозевскую ветвь возбуждений - обычный звук с законом дисперсии (14) - (15), так что теплоёмкость при низких темп-pax определяется законом (16).Спектр (21) удовлетворяет условию сверхтекучести с конечным значением V с. Само это условие не является необходимым для сверхтекучести ферми-жидкости, поскольку неогранич. рождение фермиевских квазичастиц запрещено принципом Паули. Однако его выполнение обеспечивает равенство rn=0 при T = 0.Аналогичными свойствами, осложнёнными наличием электрич. заряда и анизотропией, обладают электроны в сверхпроводящей фазе металлов (см. Сверхпроводимость).Реальный 3 Не переходит в сверхтекучее состояние с темп-рой перехода при нулевом давлении Tc~10-4 К. Спаривание происходит в состояние с l=1и спином 1. Параметр порядка - волновая ф-ция пар - может быть в этом случае представлен в виде тензора второго ранга yik, первый индекс к-рого относится к орбитальным, а второй - к спиновым переменным. Сверхтекучий 3 Не является, т. о., жидким кристаллом. Существуют две фазы сверхтекучего 3 Не - А- и B- фазы, отличающиеся видом тензора yik. Низкотемпературная B- фаза более изотропна, её анизотропия связана лишь с относительно слабым взаимодействием спинов ядер атомов 3 Не с их орбитальным движением. В пренебрежении этим взаимодействием тензор yik можно привести к видуyik= y0dik где y0 - нек-рый скалар (dik - символ Кронекера). Спектр квазичастиц имеет вид (21) с не зависящей от углов щелью D. A-фаза существенно анизотропна. Тензор yik для неё можно привести к виду 265_284-43.jpgгде Di', Di ", tk- компоненты единичных вещественных векторов D', D ", t. Векторы D' и D " ортогональны и их векторное произведение l определяет направление орбитальных моментов всех куперовских пар. Вектор t определяет направление, на к-рое проекция спинов пар равна нулю. Спектр возбуждений А -фазы имеет вид (21), однако щель зависит от угла q между направлением импульса р и вектором l:D2 ~ sin2 q. Лит.: Абрикосов А. А., Горьков Л. П., Дзялошинский И. Е., Методы квантовой теории поля в статистической физике, М., 1962; Пайнс Д., Нозьер Ф., Теория квантовых жидкостей, пер. с англ., М., 1967; Сверхтекучесть гелия-3. Сб. ст., пер. с англ., М., 1977; Л и ф ш и ц Е. М., Питаевский Л. П., Статистическая физика, ч. 2 - Теория конденсированного состояния, М., 1978; Квантовые жидкости и кристаллы, Сб. ст., пер. с англ., М., 1979. Л. П. Питаевский.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "КВАНТОВАЯ ЖИДКОСТЬ" в других словарях:

  • КВАНТОВАЯ ЖИДКОСТЬ — обычный жидкий гелий при низких температурах. Квантовая жидкость в отличие от прочных тел остается жидкостью вплоть до самых близких к абсолютному нулю температур. Свойствами квантовой жидкости обладают и другие объекты: электроны в металлах,… …   Большой Энциклопедический словарь

  • КВАНТОВАЯ ЖИДКОСТЬ — жидкий гелий, аномальные свойства которого определяются квантовыми эффектами: в нормальных условиях при температуре 4,2 К (когда все газы переходят в твёрдое состояние) сохраняет жидкое состояние вплоть до самых близких к абсолютному нулю… …   Большая политехническая энциклопедия

  • квантовая жидкость — обычный жидкий гелий при низких температурах. Квантовая жидкость в отличие от прочих тел остаётся жидкостью вплоть до самых близких к абсолютному нулю температур. Свойствами квантовой жидкости обладают и другие объекты: электроны в металлах,… …   Энциклопедический словарь

  • квантовая жидкость — kvantinis skystis statusas T sritis chemija apibrėžtis Skystis, kuris egzistuoja absoliučiojo nulio temperatūroje ir kurio savybes lemia kvantiniai efektai. atitikmenys: angl. quantum liquid rus. квантовая жидкость …   Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

  • Квантовая жидкость —         жидкость, свойства которой определяются квантовыми эффектами. Примером К. ж. является жидкий гелий при температуре, близкой к абсолютному нулю. Квантовые эффекты начинают проявляться в жидкости при достаточно низких температурах, когда… …   Большая советская энциклопедия

  • КВАНТОВАЯ ЖИДКОСТЬ — жидкость, свойства к рой определяются квантовыми эффектами: сохранением жидкого состояния до абс. нуля темп ры, сверхтекучестью, существованием нулевого звука и др. Квантовые эффекты в жидкости начинают проявляться при достаточно низких темп pax …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • Жидкость —     Механика сплошных сред …   Википедия

  • Жидкость —         агрегатное состояние вещества, промежуточное между твёрдым и газообразным состояниями. Ж., сохраняя отдельные черты как твёрдого тела, так и газа, обладает, однако, рядом только ей присущих особенностей, из которых наиболее характерная… …   Большая советская энциклопедия

  • Ферми-жидкость —         Квантовая жидкость из тождественных частиц (или квазичастиц (См. Квазичастицы)) с полуцелым спином (фермионов) …   Большая советская энциклопедия

  • БОЗЕ-ЖИДКОСТЬ — квантовая жидкость из частиц с целым спином (бозонов). Б. ж. является жидкий 4Не при темп pax, близких к абс. пулю. Элементарные возбуждения (квазичастицы) в Б. ж. подчиняются Бозе Эйнштейна статистике …   Естествознание. Энциклопедический словарь

Книги

Другие книги по запросу «КВАНТОВАЯ ЖИДКОСТЬ» >>


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.