Квантовая жидкость

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 длина волны де Бройля для частиц жидкости, вычисленная по энергии их теплового движения, становится сравнимой с расстоянием между ними. Для жидкого гелия это условие выполняется при температуре 3—2 К.

Согласно представлениям классической механики, с понижением температуры кинетическая энергия частиц любого тела должна уменьшаться. В системе взаимодействующих частиц при достаточно низкой температуре последние будут совершать малые колебания около положений, соответствующих минимуму потенциальной энергии всего тела. При абсолютном нуле температуры колебания должны прекратиться, а частицы занять строго определённые положения, т. е. любое тело должно превратиться в кристалл. Поэтому самый факт существования жидкостей вблизи абсолютного нуля температуры связан с квантовыми эффектами. В квантовой механике действует принцип: чем точнее фиксировано положение частицы, тем больше оказывается разброс значений её скорости (см. Неопределённостей соотношение). Следовательно, даже при абсолютном нуле температуры частицы не могут занимать строго определённых положений, а их кинетическая энергия не обращается в нуль, остаются так называемые нулевые колебания. Амплитуда этих колебаний тем больше, чем слабее силы взаимодействия между частицами и меньше их масса. Если амплитуда нулевых колебаний сравнима со средним расстоянием между частицами тела, то такое тело может остаться жидким вплоть до абсолютного нуля температуры.

Из всех веществ при атмосферном давлении только два изотопа гелия (4He и 3He) имеют достаточно малую массу и настолько слабое взаимодействие между атомами, что остаются жидкими вблизи абсолютного нуля и позволяют тем самым изучить специфику К. ж. Свойствами К. ж. обладают также электроны в металлах.

К. ж. делятся на бозе-жидкости и ферми-жидкости, согласно различию в свойствах частиц этих жидкостей и в соответствии с применяемыми для их описания статистиками Бозе — Эйнштейна и Ферми — Дирака (см. Статистическая физика). Бозе-жидкость известна только одна — жидкий 4He, атомы которого обладают равным нулю спином (внутренним моментом количества движения). Атомы более редкого изотопа 3He и электроны в металле имеют полуцелый спин (1/2), они образуют ферми-жидкости.

Жидкий 4He был первой разносторонне исследованной К. ж. Теоретические представления, развитые для объяснения основных эффектов в жидком гелии, легли в основу общей теории К. ж. Гелий 4He при 2,171 К и давлении насыщенного пара испытывает фазовый переход II рода в новое состояние Не II со специфическими квантовыми свойствами. Само наличие точки перехода связывается с появлением так называемого бозе-конденсата (см. Бозе — Эйнштейна конденсация), т. е. конечной доли атомов в состоянии с импульсом, строго равным нулю. Это новое состояние характеризуется сверхтекучестью, т. е. протеканием Не II без всякого трения через узкие капилляры и щели. Сверхтекучесть была открыта П. Л. Капицей (1938) и объяснена Л. Д. Ландау (1941).

Согласно квантовой механике, любая система взаимодействующих частиц может находиться только в определённых квантовых состояниях, характерных для всей системы в целом. При этом энергия всей системы может меняться только определёнными порциями — квантами. Подобно атому, в котором энергия меняется путём испускания или поглощения светового кванта, в К. ж. изменение энергии происходит путём испускания или поглощения элементарных возбуждений, характеризующихся определённым импульсом р, энергией e(р), зависящей от импульса, и спином. Эти элементарные возбуждения относятся ко всей жидкости в целом, а не к отдельным частицам и называется в силу их свойств (наличия импульса, спина и т.д.) квазичастицами. Примером квазичастиц являются звуковые возбуждения в Не II — фононы, с энергией , где — Планка постоянная, деленная на 2p, с — скорость звука. Пока число квазичастиц мало, что соответствует низким температурам, их взаимодействие незначительно и можно считать, что они образуют идеальный газ квазичастиц. Рассмотрение свойств К. ж. на основе этих представлении оказывается, в известном смысле, более простым, чем свойств обычных жидкостей при высоких температурах, когда число возбуждений велико и их свойства не аналогичны свойствам идеального газа.

Если К. ж. течёт с некоторой скоростью u через узкую трубку или щель, то её торможение за счёт трения состоит в образовании квазичастиц с импульсом, направленным противоположно скорости течения. В результате торможения энергия К. ж. должна убывать, но не плавно, а определёнными порциями. Для образования квазичастиц с требуемой энергией скорость потока должна быть не меньше, чем uc = min [e(p)/p]; эту скорость называют критической. К. ж., у которых uc ¹ 0, будут сверхтекучими, т.к. при скоростях, меньших uc, новые квазичастицы не образуются, и, следовательно, жидкость не тормозится. Предсказанный теорией Ландау и экспериментально подтверждённый энергетический спектр e(р) квазичастиц в Не II удовлетворяет этому требованию.

Невозможность образования при течении с u<uc новых квазичастиц в Не II приводит к своеобразной двухжидкостной гидродинамике. Совокупность имеющихся в Не II квазичастиц рассеивается и тормозится стенками сосуда, она составляет как бы нормальную вязкую часть жидкости, в то время как остальная жидкость является сверхтекучей. Для сверхтекучей жидкости характерно появление в некоторых условиях (например, при вращении сосуда) вихрей с квантованной циркуляцией скорости сверхтекучей компоненты. В Не II возможно распространение двух типов звука, из которых 1-й звук соответствует обычным адиабатическим колебаниям плотности, в то время как 2-й звук соответствует колебаниям плотности квазичастиц и, следовательно, температуры (см. Второй звук)

Наличие газа квазичастиц одинаково характерно как для бозе-, так и для ферми-жидкости. В ферми-жидкости часть квазичастиц имеет полуцелый спин и подчиняется статистике Ферми — Дирака, это так назывемые одночастичные возбуждения. Наряду с ними в ферми-жидкости существуют квазичастицы с целочисленным спином, подчиняющиеся статистике Бозе — Эйнштейна, из них наиболее интересен "нуль-звук", предсказанный теоретически и открытый в жидком 3He (см. Нулевой звук). Ферми-жидкости делятся на нормальные и сверхтекучие в зависимости от свойств спектра квазичастиц.

К нормальным ферми-жидкостям относятся жидкий 3He и электроны в несверхпроводящих металлах, в которых энергия одночастичных возбуждений может быть сколь угодно малой при конечном значении импульса, что приводит к uc = 0. Теория нормальных ферми-жидкостей была развита Л. Д. Ландау (1956—58).

Единственной, но очень важной сверхтекучей ферми-жидкостью являются электроны в сверхпроводящих металлах (см. Сверхпроводимость). Теория сверхтекучей ферми-жидкости была развита Дж. Бардином, Л. Купером и Дж. Шриффером (1957) и Н. Н. Боголюбовым (1957). Между электронами в сверхпроводниках, согласно этой теории, преобладает притяжение, что приводит к образованию из электронов с противоположными, но равными по абсолютной величине импульсами связанных пар с суммарным моментом, равным нулю (см. Купера эффект). Для возникновения любого одночастичного возбуждения — разрыва связанной пары — необходимо затратить конечную энергию. Это приводит, в отличие от нормальных ферми-жидкостей, к uc ¹ 0, т. е. к сверхтекучести электронной жидкости (сверхпроводимости металла). Существует глубокая аналогия между сверхпроводимостью и сверхтекучестью. Как и в 4He, в сверхпроводящих металлах имеется фазовый переход II рода, связанный с появлением бозе-конденсата пар электронов. При определённых условиях в магнитном поле в так называемых сверхпроводниках II рода появляются вихри с квантованным магнитным потоком, являющиеся аналогом вихрей в Не II.

Кроме перечисленных выше К. ж., к ним относятся смеси 3He и 4He, которые при постепенном изменении соотношения компонентов образуют непрерывный переход от ферми- к бозе-жидкости. Согласно теоретическим представлениям, при чрезвычайно высоких давлениях и достаточно низких температурах все вещества должны переходить в состояние К. ж., что возможно, например, в некоторых звёздах.

Лит.: Ландау Л. Д. и Лифшиц Е. М., Статистическая физика, 2 изд., М., 1964; Абрикосов А. А., Халатников И. М., Теория ферми-жидкости, "Успехи физических наук", 1958, т. 66, в. 2, с. 177; Физика низких температур, пер. с англ., М., 1959; Пайнс Д., Нозьер Ф., Теория квантовых жидкостей, пер. с англ., М., 1967.

С. В. Иорданский.