Стартовая Предметный указатель Новости науки и техники
Новости науки и техники
Водород, как альтернативное топливо.
Как известно наша планета богата энергоносителями, которые, вот уже не одну сотню лет, исправно служат человеку, делая его жизнь более комфортной. Но так же известно, что запасы полезных ископаемых, из которых получают эти энергоносители, с каждым годом всё уменьшаются, а их стоимость в связи с этим растёт, не говоря уже о загрязнении окружающей среды путём выброса в атмосферу продуктов сгорания. Далее...

Жидкий гелий

гелий жидкий

ГЕЛИЙ ЖИДКИЙ . Жидкие 3He и 4He (и их растворы) - единственные в природе жидкости, не затвердевающие при абс. нуле темп-ры (при атм. давлении). Благодаря малой массе атомов гелия и характерному для атомов благородных газов слабому притяжению между ними при понижении темп-ры квантовые эффекты в Г. ж. ("нулевые колебания" атомов при T=0)препятствуют его кристаллизации. 3He и 4He - квантовые жидкости: при 1119922-70.jpg2 К квантовые эффекты определяют поведение этих жидкостей и различие их свойств, вызванное различием в квантовой статистике, к-рой подчиняются ансамбли из атомов 3He и 4He. Жидкий 4He - бозе-жидкость, т. к. его атомы - бозоны; их спин равен нулю, они подчиняются Бозе - Эйнштейна статистике. Жидкий 3He, состоящий из фермионов - атомов со спином 1119922-71.jpg, подчиняющихся Ферми - Дирака статистике, является ферми-жидкостью.

С понижением темп-ры T жидкий 4He при 1119922-72.jpg (в т. н. 1119922-73.jpg-точке) испытывает фазовый переход 2-го рода, новую фазу называют Не II. Темп-ра 1119922-74.jpg=2,17 К соответствует давлению насыщенных паров Г. ж., с ростом давления 1119922-75.jpg уменьшается (рис. 1). Не II обладает аномально высокой теплопроводностью и сверхтекучестью (П. Л. Капица, 1938). Вязкость Не II, измеренная методом колеблющегося диска, тем не менее отлична от нуля и вблизи 1119922-76.jpg мало отличается от вязкости нормального (несверхтекучего) 4He. Это противоречие разрешается в Ландау теории сверхтекучести (двухжидкостная модель Не II, Л. Д. Ландау, 1941), согласно к-рой Не II состоит из двух компонентов: нормального и сверхтекучего. Сверхтекучий компонент - идеальная жидкость с потенциальным течением - не обладает энтропией и не испытывает сопротивления при протекании сквозь узкие капилляры. Её плотность 1119922-85.jpg совпадает с полной плотностью жидкости 1119922-86.jpg при T=0 К и уменьшается с ростом T до нуля при 1119922-87.jpg (рис. 2). Нормальный компонент - остальная часть жидкости с плотностью 1119922-88.jpg- ведёт себя как обычная вязкая жидкость, что приводит к затуханию колеблющегося в Не II диска. При темп-pax, близких к абс. нулю, нормальный компонент представляет собой газ возбуждений в идеальной жидкости (газ фононов и ротонов; спектр возбуждений Не II, полученный в экспериментах по рассеянию нейтронов в Не II, приведён на рис. 3). Аномально высокая теплопроводность Не II связана с тем, что теплота в нём может переноситься движением нормального компонента при отсутствии полного потока массы, к-рый компенсируется противотоком сверхтекучего компонента, не несущего теплоты. Благодаря такому механизму переноса теплоты в Не II кроме обычного (первого) звука существует второй звук - температурные волны. Двухжидкостная модель объясняет большинство др. эффектов, присущих сверхтекучей жидкости: механокалорический эффект; термомеханический эффект; существование критич. скорости течения, начиная с к-рой сверхтекучий компонент испытывает трение; существование плёнки на стенках сосуда, благодаря к-рой выравниваются уровни Не II в сосудах, разделённых стенкой; третий звук, четвёртый звук и др. (см. Звук в сверхтекучем гелии).

1119922-77.jpg

Рис. 1. Диаграмма состояния 4Не: 1 -твердый 4He, 2 - кривая плавления, 3 - жидкий HeII, 4 -1119922-78.jpg-линия (линия 1119922-79.jpg-точек), S - жидкий HeI, 6 - кривая испарения, 7 - критическая точка, 8 - газообразный 4He.


1119922-80.jpg

Рис. 2. Температурная зависимость относительного содержания 1119922-81.jpg сверхтекучего компонента в Не II. При критической температуре Tl значение 1119922-82.jpg= 0.


1119922-83.jpg

Рис. 3. Спектр возбуждений в HeII, измеренный в нейтронных экспериментах; 1119922-84.jpg- анергия квазичастицы, р - ее импульс.

Существование двух видов течений в Не II является следствием квантовой статистики Бозе - Эйнштейна [Л. Тиса (L. Tisza), 1938]. Это доказано на модели слабонеидеального бозе-газа (H. H. Боголюбов, 1947), в к-ром при понижении темп-ры происходит бозе-конденсация: накопление в одном квантовом состоянии с наименьшей энергией макроскопич. числа бозонов.

В результате бозе-конденсации в жидкости возникает сверхтекучий компонент - макроскопич. фракция жидкости, движение частиц к-рой когерентно, т. е. описывается единой квантовомеханич. волновой функцией 1119922-89.jpg (см. Когерентность, Квантовая жидкость). Течение сверхтекучего компонента потенциально (см. Потенциальное течение ),т. к. его скорость 1119922-90.jpg связана с фазой волновой ф-ции 1119922-91.jpg квантовомеханич. соотношением 1119922-92.jpg (т - масса бозона), справедливым для Не II при m-m4, где m4 - масса атома 4He.

Макроскопич. когерентность приводит также к следствиям, отличающим сверхтекучий компонент от просто идеальной жидкости с потенциальным течением. Из-за непрерывности конденсатной ф-ции 1119922-93.jpg её фаза1119922-94.jpg при обходе по замкнутому контуру может меняться на 1119922-95.jpg, где N - целое число. Это означает, что циркуляция сверхтекучей скорости 1119922-96.jpg по любому замкнутому контуру принимает дискретные значения 1119922-97.jpg . В топологически односвязном сосуде (цилиндрич., сферич. и др.) К может быть отличным от нуля только при обходе вокруг особых линий, на к-рых сверхтекучесть нарушена (т. е. 1119922-98.jpg=0),- т. н. квантованных вихрей [Л. Онсагер (L. Onsager), 1949; P. Фейнман (R. Feynman), 1955]. Квантованные вихри отличаются от вихрей в нормальной жидкости (см. Вихревое движение)тем, что циркуляция К вокруг них квантована (квант циркуляции равен h/m)и поэтому квантованные вихри устойчивы и не размываются при наличии вязкости. Квантованные вихри не могут оканчиваться внутри сосуда, они либо пронизывают всю толщу жидкости, либо образуют замкнутые вихревые кольца. Вихревые кольца обнаружены в экспериментах с ионами, инжектируемыми в Не II. Квантованные вихри с прямолинейными осями обнаружены в экспериментах с вращающимся сосудом, где они образуют двухмерную периодич. решётку (за счёт отталкивания вихрей). Вихревое движение сверхтекучего компонента имитирует его вращение вместе с сосудом, т. е. наличие квантованных вихрей создаёт в ср. картину, аналогичную вращению нормальной жидкости вместе с сосудом.

В топологически неодносвязном сосуде, напр. в замкнутом кольцевом канале, циркуляция К может быть отлична от нуля без нарушения сверхтекучести. Течения в канале с 1119922-99.jpg чрезвычайно устойчивы в силу дискретного характера К и могут циркулировать сутками. Cp. скорость течения жидкости в канале не может изменяться непрерывно, поскольку это привело бы к непрерывному изменению циркуляции. Уменьшение К возможно лишь скачками - с изменением N на целое число за счёт рождения квантованных вихрей. Этот процесс требует энергетич. затрат, и его вероятность мала.

Жидкий 3He - ферми-жидкость, свойства к-рой при T1119922-100.jpg0,1 К хорошо описываются теорией ферми-жидкости Ландау. Согласно этой теории, ферми-жидкость можно представить как систему квазичастиц, подчиняющихся статистике Ферми - Дирака и заполняющих квантовые состояния внутри ферми-поверхности в импульсном пространстве. Наличие ферми-поверхности определяет осн. свойства ферми-жидкости при низких темп-pax: её теплоёмкость пропорциональна T, магнитная восприимчивость не зависит от T, вязкость с уменьшением темп-ры растёт как 1/Т2. В ферми-жидкости могут существовать высокочастотные звуки, связанные с колебаниями ферми-поверхности (см. Нулевой звук ).В 3He наблюдаются два нулевых звука: продольный и поперечный.

1119922-101.jpg

С понижением темп-ры при T= ТС жидкий 3He испытывает фазовый переход 2-го рода в сверхтекучее состояние [Д. Ошеров (D. Osheroff), P. Ричардсон (R. Richardson), Д. Ли (D. Lee), 1972]. Критич. темп-ра ТС=2,6 мК (на кривой плавления), она уменьшается с понижением давления р до TC=0,9 K при р=0. Имеются три сверхтекучие фазы А, В и A1: фазы А и В разделены на фазовой диаграмме (рис. 4) кривой фазового перехода 1-го рода, фаза A1 существует только в магн. поле.

Сверхтекучесть 3He, как и сверхпроводимость электронов в металле - следствие Купера эффекта (образования пар квазичастиц с противоположными импульсами на ферми-поверхности). Куперовские пары являются бозонами (спин пары равен О в сверхпроводниках и 1 в сверхтекучих фазах 3He) и образуют бозе-конденсат. В отличие от электронных куперовских пар в сверхпроводниках с L=0 (нулевым моментом импульса относительного движения квазичастиц в паре), у куперовских пар во всех сверхтекучих фазах L=1. Куперовские пары различных сверхтекучих фаз 3He отличаются проекциями спина и момента импульса на направление осей квантования. В силу макроскопич. когерентности все Куперовские пары в бозе-конденсате имеют общее направление осей квантования спина и общее направление осей квантования момента импульса. Поэтому сверхтекучие фазы 3He

обладают пространственной (т. н. орбитальной) и магнитной анизотропией, т. е. являются одновременно жидкими кристаллами и упорядоченными магнетиками. Последнее позволяет применять для исследования сверхтекучих фаз методы ЯМР (магн. момент атомов 3He сосредоточен в ядрах). Динамика ядерных магн. моментов сверхтекучих фаз и частоты продольного и поперечного ЯМР определяются ур-ниями Леггетта (A. Leggett, 1974).

Структура куперовских пар в фазах А, В и A1 разная, поэтому сверхтекучие, магн. и жидкокристаллич. свойства этих фаз различны.

А-фаза 3He обладает осью магн. анизотропии и осью орбитальной жидкокристаллич. анизотропии, характеризуемыми единичными векторами d и l, Векторы d и l являются осями квантования соответственно спинового и орбитального моментов импульса куперовских пар. Проекция спина пары S на ось d равна нулю, т. е. спины пар равновероятно ориентированы в плоскости, перпендикулярной к d, так что ср. ядерный магн. момент у пары отсутствует и А-фаза является жидким одноосным антиферромагнетиком .Магн. восприимчивость А-фазы совпадает с магн. восприимчивостью нормального 3He. Проекция орбитального момента пары L на ось l равна 1, т. е. орбитальные моменты всех пар направлены по l. Kуперовские пары частично вовлекают во вращат. движение электроны атомов, в результате А-фаза обладает небольшим электронным ферромагн. моментом (~10-11 магнетонов Бора на атом), направленным вдоль l, и является жидким ферромагнетиком.

Направления осей d и l произвольны, т. е. состояния А-фазы вырождены по энергии относительно поворотов этих осей. Вырождение снимается внеш. магн. полем, ориентирующим d перпендикулярно полю; граничными условиями, ориентирующими l по нормали к границе; сверхтекучим потоком, ориентирующим l вдоль потока; слабым спин-орбитальным взаимодействием, ориентирующим l и d параллельно друг другу. Если ориентирующие взаимодействия конкурируют между собой, возникают текстуры: неоднородные в пространстве распределения полей l(rd(r)[на рис. 5, а изображена текстура l(r), возникающая в магн. поле, перпендикулярном границе; поле l изображено стрелками]. Плавное изменение поля l в текстуре обеспечивается макроскопич. когерентностью, стремящейся сделать распределение однородным и приводящей к росту энергии при деформации поля. Текстуры могут существовать и в том случае, если они энергетически невыгодны, но не могут непрерывно исчезать в силу топологич. причин. На рис. 5, б изображена одна из таких текстур - топологический солитон, обнаруженный в А-фазе в экспериментах с ЯМР. В этой текстуре области параллельной и антипараллельной ориентации векторов l и d, соответствующих минимуму энергии спин-орбитального взаимодействия, разделены областью неоднородного распределения l и d (областью солитона), где ориентация l относительно d меняется на противоположную. Солитон приводит к дополнит. резонансному пику поглощения в ЯМР, возникающему из-за возбуждения локализованных на солитоне спиновых волн. Классификация всех возможных топологически устойчивых структур в сверхтекучих фазах А, В и A1 и др. упорядоченных средах осуществляется методами гомотопич. топологии.

1119922-102.jpg

Рис. 5. Текстуры в А-фазе 3He: а -текстура вблизи границы сосуда (магнитное поле перпендикулярно границе), б - топологически устойчивая текстура - солитон; линии со стрелками - l -вектор, линии без стрелок - d-вектор.


Текстуры вектора l существенно влияют на сверхтекучие свойства А-фазы. Если поле l однородно, сверхтекучесть А -фазы описывается обобщённой двух-жидкостной моделью Ландау, учитывающей орбитальную анизотропию. Сверхтекучие свойства оказываются анизотропными: плотность сверхтекучего компонента является одноосным тензором 1119922-103.jpg (1119922-104.jpg1119922-105.jpg при 1119922-106.jpg и 1119922-107.jpg при 1119922-108.jpg); скорость четвёртого звука и затухание первого звука зависят от направления их распространения. Последнее позволяет исследовать текстуры вектора l по данным о затухании ультразвука в А -фазе в зависимости от направления его распространения.

В присутствии текстур сверхтекучие свойства A-фазы резко меняются: сверхтекучее течение перестаёт быть потенциальным, циркуляция сверхтекучей скорости по замкнутому контуру 1119922-109.jpg в текстуре не квантуется и зависит от выбора контура интегрирования [H. Д. Мермин (N. D. Mermin), T. Л. Xo (T. L. Но), 1977]. Это приводит, во-первых, к существованию вихрей с непрерывно распределённой завихренностью 1119922-110.jpg , к-рые тем не менее отличаются от вихрей в нормальной жидкости своей топологич. устойчивостью. Эти вихри были обнаружены методом ЯМР во вращающемся сосуде по дополнит. пику поглощения. Во-вторых, в отличие от Не II, макроскопич. поток сверхтекучего компонента при течении по каналу (трубке) может непрерывно изменяться (диссипировать за счёт трения и перехода кинетич. энергии в теплоту), вызывая пространственно-временные осцилляции поля l (их наблюдали в экспериментах с распространением ультразвука). Этот периодич. процесс является аналогом нестационарного Джозефсона эффекта в сверхпроводниках. На поверхности канала, где вектор l фиксирован, пристеночный слой сверхтекучего компонента может испытывать торможение за счёт рождения поверхностных квантованных вихрей - буджумов (стянутых в точку вихрей), обладающих чётным числом N квантов K=h/m циркуляции сверхтекучей скорости по контуру, лежащему в плоскости стенки, где т=2т3 - масса бозона (двух атомов 3He). В-третьих, в сосудах определ. формы, напр. в сферических, всегда, даже в осн. состоянии, имеется циркуляционное сверхтекучее движение, вызываемое образующейся в этом сосуде текстурой (рис. 6). Это движение обладает моментом импульса и может быть обнаружено по гироскопич. эффекту.


1119922-111.jpg

Рис. в. Текстура вектора l в сферическом сосуде с гелием (случай незатухающего сверхтекучего движения). Точечная особенность в векторном поле l на поверхности сосуда - буджум с N=2.

Уникальность сверхтекучих свойств А-фазы - следствие специфич. спонтанного нарушения симметрии. Состояния А-фазы не инвариантны относительно калибровочного преобразования, а также относительно пространственных и спиновых вращений, однако инвариантны относительно определ. комбинации этих преобразований: калибровочное преобразование + поворот вокруг оси l. В результате сверхтекучие свойства, являющиеся следствием нарушения калибровочной симметрии, оказываются связанными с жидко-кристаллич. свойствами, возникающими из-за нарушения симметрии относительно пространственных поворотов. Комбинированная инвариантность приводит также к возможности существования в А-фазе вихрей с полуцелым числом квантов циркуляции. В В-фазе квазичастицы образуют изотропные пары, орбитальные состояния к-рых характеризуются тремя равновероятными проекциями 1119922-112.jpg1 и 0 момента импульса L=1 на направление оси квантования, а спиновое состояние - равновероятными проекциями 1119922-113.jpg1,0 спина пары S=1 на направление оси квантования спина. В отсутствие спин-орбитального взаимодействия взаимная ориентация осей квантования произвольна и состояния В-фазы вырождены относительно трёхмерных поворотов спиновых осей по отношению к направлению орбитальных. Трёхмерные повороты задают матрицей трёхмерных вращений Rik, к-рая выражается через компоненты единичного вектора п оси поворота и угол поворота 1119922-114.jpg. Состояние куперовских пар в В-фазе обладает "полным моментом импульса" I=0, где I - собств. значение оператора 1119922-115.jpg1119922-116.jpg (1119922-117.jpg- операторы орбитального момента и спина). Вырождение снимается спин-орбитальным взаимодействием, энергия к-рого минимальна при 1119922-118.jpg104° (т. н. магический угол, наблюдаемый в ЯМР-экспериментах), а также стенками сосуда, магн. полем и сверхтекучим потоком, ориентирующими вектор п. Частоты ЯМР чувствительны к ориентации n относительно внеш. магн. поля, что позволяет измерять слабые ориентирующие воздействия на вектор п.

Сверхтекучие свойства В-фазы во многом аналогичны свойствам Не II. Плотность сверхтекучего компонента изотропна, но становится анизотропной в магн. поле. В В-фазе сверхтекучее течение потенциально и имеются квантов/ вихри с квантом циркуляции h/m.

Система вихрей во вращающемся сосуде обнаружена методом ЯМР, благодаря ориентирующему влиянию вихрей на вектор п. Вихри в Не II и в 3He-B отличаются структурой их ядра: на оси вихря в Не II сверхтекучесть нарушается (1119922-119.jpg=0), ядро вихря в B-фазе может содержать др. сверхтекучую фазу. Экспериментально обнаружены фазовый переход 1-го рода от одной структуры ядра вихря в другую при T=0,6Тс (р=29,4 атм, или 29,7*105 Па) и магн. момент вихря, сосредоточенный в ядре и направленный по вектору 1119922-120.jpg (1119922-121.jpg- направление оси вихря). Магн. момент вихря - следствие специфич. спонтанного нарушения симметрии в B-фазе, связывающего жидкокристаллич. и магн. свойства: состояния В-фазы инвариантны относительно определ. комбинации пространственных и спиновых вращений. В результате, если в жидкости имеется орбитальный момент кол-ва движения L, напр. за счёт сверхтекучего движения вокруг вихря, то обязательно имеется и спиновый момент Si~RikLk , и наоборот, магн. поле создаёт орбитальное движение.

Существование фазы A1 связано с тем, что в магн. поле ферми-поверхности частиц со спином вверх и со спином вниз разнесены, поэтому при понижении темп-ры происходит сначала переход из нормального состояния в А1-фазу с образованием куперовских пар в состоянии только со спином вверх. При дальнейшем понижении темп-ры она переходит в А-фазу (фазовый переход 2-го рода), где образуются также и пары со спином вниз.

В А1-фазе сверхтекучие свойства связаны не только с жидкокристаллическими, но и с магн. свойствами.

Это, в частности, приводит к тому, что второй звук в А1-фазе взаимодействует со спиновыми волнами и скорость его гораздо больше, чем в фазах А и В. Благодаря этому второй звук в А1-фазе экспериментально наблюдать гораздо легче, чем в др. фазах.

Лит.: Халатников И. M., Теория сверхтекучести, M., 1971; Паттерман С., Гидродинамика сверхтекучей жидкости, пер. с англ., M., 1978; Воловик Г. E., Mинеев В. П., Физика и топология, M., 1980; Mинеев В. П., Сверхтекучий 3He. Введение в предмет, "УФН", 1983, т. 139, с. 303; Воловик Г. E., Сверхтекучие свойства А-фазы Не3, там же, 1984, т. 143, с. 73. Г. E. Воловик.

  Предметный указатель