Что такое сверхтекучая жидкость?

Сверхтекучая среда - это фаза вещества, способная бесконечно течь без потери энергии. Это свойство некоторых изотопов было открыто Петром Леонидовичем Капицей, Джоном Ф. Алленом и Доном Мизенером в 1937 году. Оно было достигнуто при очень низких температурах, по крайней мере, с двумя изотопами гелия, одним изотопом рубидия и одним изотопом лития.

Только жидкости и газы могут быть сверхтекучими. Например, точка замерзания гелия составляет 1 К (Кельвин) и давление в 25 атмосфер, самое низкое из всех элементов, но вещество начинает проявлять сверхтекучие свойства примерно при 2 К. Фазовый переход происходит, когда все составляющие атомы образца начинают занимают одно и то же квантовое состояние. Это происходит, когда атомы располагаются очень близко друг к другу и охлаждаются настолько, что их квантовые волновые функции начинают перекрываться, и атомы теряют свою индивидуальную идентичность, ведя себя больше как один суператом, чем агломерация атомов.

Ограничивающим фактором, при котором материалы могут проявлять сверхтекучесть, а что нет, является то, что материал должен быть очень очень холодным (менее 4 К) и оставаться текучим при этой холодной температуре. Материалы, которые становятся твердыми при низких температурах, не могут принять эту фазу. При охлаждении до очень низких температур готовый сверхтекучий набор бозонов - атомов с четным числом нуклонов - превращается в бозе-эйнштейновский конденсат, сверхтекучую фазу вещества. Когда фермионы, атомы с нечетным числом нуклонов, такие как изотоп гелия-3, охлаждаются до нескольких Кельвинов, этого недостаточно, чтобы вызвать этот переход.

Поскольку только бозоны могут легко стать конденсатом Бозе-Эйнштейна, фермионы должны сначала спариться друг с другом, чтобы стать сверхтекучей. Этот процесс похож на куперовское спаривание электронов, которое происходит в сверхпроводниках. Когда два атома с нечетным числом нуклонов образуют пары друг с другом, они вместе обладают четным числом нуклонов и начинают вести себя как бозоны, сгущаясь вместе в сверхтекучее состояние. Это называется фермионным конденсатом и возникает только при уровне температуры в мкКи, а не при нескольких Кельвинах. Ключевое различие между спариванием атомов в сверхтекучей среде и спариванием электронов в сверхпроводнике заключается в том, что спаривание атомов опосредовано квантовыми спиновыми флуктуациями, а не обменом фононами (энергией колебаний).

Сверхтекучие жидкости обладают некоторыми впечатляющими и уникальными свойствами, которые отличают их от других форм вещества. Поскольку они не имеют внутренней вязкости, образующийся в них вихрь сохраняется вечно. Сверхтекучая среда имеет нулевую термодинамическую энтропию и бесконечную теплопроводность, а это означает, что не может быть разницы температур между двумя сверхтекучими жидкостями или двумя частями одной и той же. Они также могут подниматься и выходить из контейнера в слое толщиной в один атом, если контейнер не запечатан. Обычная молекула, заключенная в сверхтекучую жидкость, может двигаться с полной свободой вращения, ведя себя как газ. Другие интересные свойства могут быть обнаружены в будущем.

Большинство так называемых сверхтекучих жидкостей не являются чистыми, но на самом деле представляют собой смесь жидкого компонента и сверхтекучего компонента. Потенциальное применение сверхтекучих жидкостей не столь захватывающее и широкое, как применение сверхпроводников, но холодильники с разбавлением и спектроскопия - две области, где они нашли применение. Возможно, наиболее интересное приложение сегодня - чисто образовательное, показывающее, как квантовые эффекты могут стать макроскопическими по масштабу при определенных экстремальных условиях.