超流态

超流态,无摩擦流和其他奇异的行为中观察到液体氦附近的温度绝对零度(−273.15°C、或−459.67°F)和(更少的广泛使用)类似的无摩擦行为的电子超导固体。在每种情况下的异常行为出现量子力学效果。

发现

稳定同位素氦是氦- 3(或³他与两个质子和一个中子),,,氦- 4(或⁴他和两个质子和两个中子)。⁴他形式的大部分自然产生的氦,但较轻的同位素³他已经形成,从1950年开始,在实验上有用的数量的衰变的氚生产的核反应堆。

都保持液态氦同位素在低压力降到绝对零度,和两个显示超流态的性质,尽管爆发发生在不同温度的两种情况。超流态(在无摩擦的形式流过狭窄毛细血管)被发现⁴他低于2.17 K (−290.98°C,或−455.76°F) 1938年,同时由苏联物理学家Pyotr捷Kapitsa和加拿大物理学家约翰·f·艾伦和公元Misener。(被称为超流体的过渡阶段跃迁)。光同位素³他丝毫没有超流态或其他任何的痕迹异常行为了温度2.65 K (−270.5°C,或−454.9°F),但在1972年,美国物理学家道格拉斯·d·Osheroff,罗伯特·c·理查森,David m .李发现,低于这个温度液体有三个不同的反常阶段,称为,B, A₁,每个显示的许多奇异的现象和超流体一样⁴他虽然常常不太壮观的形式。因此,这些阶段统称为流体³他。

超流体的行为阶段

最壮观的签名过渡的液体⁴突然他进入超流体阶段发病通过毛细血管流的能力没有明显的摩擦很小,任何普通液体(包括⁴他本身在λ过渡)将被其夹紧粘度;因此,船是“helium-tight”(即所谓的正常阶段。,春天温度高于λ)可能突然泄漏。相关现象观察到在超流体阶段包括的能力来维持持续的电流在一个环形容器;电影蠕变现象,液体流并无明显的摩擦,在包含它的桶的一侧;和导热系数,其价值上百万倍的正常阶段,比最好的金属导体。另一个属性是不那么壮观但极其重要的超流体的理解阶段:如果液体冷却通过λ过渡慢慢一桶中旋转那么,当温度降低到绝对零度,液体逐渐出现来休息的实验室虽然桶继续旋转。这种nonrotation效应是完全可逆的;旋转的视速度只取决于系统的温度,而不是历史。这些现象也被观察到在超流体相的液体³他,虽然不那么壮观的形式。

人们认为有密切联系超流态和超导现象;事实上,从现象学的观点超导仅仅是超流态发生在一个带电系统。因此,超流体的无摩擦流⁴他通过狭窄的毛细血管无摩擦带的相似之处电流超导体中的电子和氦的能力来维持循环电流在一个环形容器质量密切类似的电流在超导环的持久性。不那么明显的,事实证明,nonrotation效果确切模拟的迈斯纳效应在超导体。超导的其他特征,如漩涡和的存在约瑟夫森效应,曾被观察到在超流体阶段⁴他和³他。

超流态的理论解释

接受理论的理解超流态(或超导)是基于的想法极其大量的原子(或电子)显示相同,而且本质上量子机械、行为;也就是说,由一个描述的系统,连贯的,量子力学波函数。一个电子在原子核周围原子不能旋转任意轨道;相反,量子力学要求它旋转的方式角动量是量子化的,是多种(包括零)的吗h/ 2π,h是普朗克常数。这是起源的,例如,的现象原子反磁性。同样,单个原子(或分子)放置在一个环形容器是由量子力学允许环游戒指只有某些明确的速度,包括零。等普通的液体水,热障碍确保原子(或分子)分布在不同的可能(量子化)状态,这样平均速度不是量化;因此,当容器旋转液体是给予足够的时间来平衡,它旋转的容器按照日常经验。

在超流体系统中情况截然不同。更简单的是⁴他液体组成的原子总自旋角动量等于零,其分布之间的可能的状态因此被认为是由一个称为原则玻色统计。一个气体这样的原子没有他们之间的相互作用就接受,在一些温度T₀,这种现象被称为玻色凝聚;下面T₀有限的一部分的所有原子占领一个国家,通常最低能量,和这部分增加一个温度下降到绝对零度。这些原子凝聚。人们普遍认为,类似的现象也应该发生等液体⁴他,原子之间的相互作用是相当重要的,并且λ的过渡⁴他只是玻色凝聚的发病。(这一现象的原因是没有见过其他系统的自旋0原子neon-22只是等,随着温度降低,冻结发生第一次)。如果是这样,那么,温度低于λ过渡,一个有限的一部分的所有原子必须决定合作可能的量子化的哪一个州都将占据。特别是,如果容器旋转速度足够慢,这些凝聚原子占据不旋转state-i.e。,they will be at rest with respect to the laboratory—while the rest will behave normally and will distribute themselves in such a way that on average they rotate with the container. As a result, as the temperature is lowered and the fraction of condensed atoms increases, the liquid will appear gradually to come to rest with respect to the laboratory (or, more accurately, to the fixed stars). Similarly, when the liquid is flowing through a small capillary, the condensed atoms cannot be scattered by the walls one at a time since they are forced by Bose statistics to occupy the same state. They must be scattered, if at all, simultaneously. Since this process is extremely improbable, the liquid, or more precisely the condensed fraction of it, flows without any apparent friction. The other characteristic表现超流态可以类似的解释。

玻色凝聚的想法是不能直接适用于液体³他,因为³他的原子自旋角动量等于1/2(在单位的h/ 2π)及其分布状态因此被认为是由一个不同的原则,被称为费米统计。然而,据信,在超流体阶段³他的原子,成双成对的电子在超导体,像形成的库珀对quasimolecular情结积分旋转,因此有效地服从玻色而不是费米统计数据。特别是,当库伯对正在形成,随后他们接受一种玻色凝聚,上面给出的参数⁴他同样适用于他们。在超导体中电子的情况下,一个有限的能量,所谓的能源缺口Δ,必须打破了双(或至少他们中的大多数),因此超流体的热力学³他很类似于超导体。有一个重要的区别两种情况。而在一个典型的超导电子自旋相反配对和零总角动量,使库伯对的内部结构,而毫无特色,³他与平行的原子对旋转和非零总角动量,这样的内部结构对更丰富,更有趣。一个表现这是有三个超流体阶段液体³他,叫一个,B,一个₁,这是区分不同的库伯对的内部结构。的B阶段是在很多方面类似于经典的超导体,而一个(和一个₁)阶段是强烈的各向异性性质,实际上有一个能隙,消失的方向运动。因此,一些超流体的属性一个和一个₁阶段的明显不同⁴他或³He-B和已知的物理系统中的确是独一无二的。