Сверхтеку́честь — способность вещества в особом состоянии (квантовой жидкости), возникающем при понижении температуры к абсолютному нулю (термодинамическая фаза), протекать через узкие щели и капилляры без трения. До недавнего времени сверхтекучесть была известна только у жидкого гелия, однако в последние годы сверхтекучесть была обнаружена и в других системах: в разреженных атомных бозе-конденсатах, твёрдом гелии.

Сверхтекучесть объясняется следующим образом. Поскольку атомы гелия являются бозонами, квантовая механика допускает нахождение в одном состоянии произвольного числа частиц. Вблизи абсолютного нуля температур все атомы гелия оказываются в основном энергетическом состоянии. Поскольку энергия состояний дискретна, атом может получить не любую энергию, а только такую, которая равна энергетическому зазору между соседними уровнями энергии. Но при низкой температуре энергия столкновений может оказаться меньше этой величины, в результате чего рассеяние энергии попросту не будет происходить. Жидкость будет течь без трения.

История открытия

Сверхтекучесть жидкого гелия-II ниже лямбда-точки (T = 2,172 К) была экспериментально открыта в 1938 году П. Л. Капицей (Нобелевская премия по физике за 1978 год). Уже до этого было известно, что при прохождении этой точки жидкий гелий испытывает фазовый переход, переходя из полностью «нормального» состояния (называемого гелий-I) в новое состояние так называемого гелия-II, однако только Капица показал, что гелий-II течёт вообще (в пределах экспериментальных погрешностей) без трения.

Теория явления сверхтекучего гелия-II была разработана Л. Д. Ландау (Нобелевская премия по физике за 1962 год).

Основные факты

На сегодняшний день установлено, что коэффициент вязкости у гелия-II меньше 10⁻¹² Па·с, в то время как у гелия-I вблизи температуры 4,22 К этот коэффициент имеет величину порядка 10⁻⁶ Па·с.

Двухжидкостная модель гелия-II

В рамках двухжидкостной модели (также известной как «двухкомпонентная модель»), гелий-II представляет собой смесь двух взаимопроникающих жидкостей: сверхтекучей и нормальной компонент. Сверхтекучая компонента представляет собой собственно жидкий гелий, находящийся в квантово-коррелированном состоянии, в некоторой степени аналогичном состоянию бозе-конденсата (однако, в отличие от конденсата атомов разреженного газа, взаимодействие между атомами гелия в жидкости достаточно сильно, поэтому теория бозе-конденсата неприменима впрямую к жидкому гелию). Эта компонента движется без трения, обладает нулевой температурой и не участвует в переносе энергии в форме теплоты. Нормальная компонента представляет собой газ квазичастиц двух типов: фононов и ротонов, то есть элементарных возбуждений квантовокоррелированной жидкости; она движется с трением и участвует в переносе энергии.

При нулевой температуре в гелии отсутствует свободная энергия, которую можно было бы потратить на рождение квазичастиц, и поэтому гелий находится полностью в сверхтекучем состоянии. При повышении температуры плотность газа квазичастиц (прежде всего, фононов) растёт, и доля сверхтекучей компоненты падает. Вблизи температуры лямбда-точки концентрация квазичастиц становится столь велика, что они образуют уже не газ, а жидкость квазичастиц, и наконец при превышении температуры лямбда-точки макроскопическая квантовая когерентность теряется, и сверхтекучая компонента пропадает вовсе. Относительная доля нормальной компоненты показана на Рис. 1.

При протекании гелия сквозь щели с малой скоростью, сверхтекучая компонента, по определению, обтекает все препятствия без потери кинетической энергии, то есть без трения. Трение могло бы возникнуть, если бы какой-либо выступ щели порождал бы квазичастицы, уносящие в разные стороны импульс жидкости. Однако такое явление при малых скоростях течения энергетически невыгодно, и только при превышении критической скорости течения начинают генерироваться ротоны.

Эта модель, во-первых, хорошо объясняет разнообразные термомеханические, светомеханические и другие явления, наблюдающиеся в гелии-II, а во-вторых, прочно базируется на квантовой механике.

Сверхтекучесть в иных системах

• Построена сверхтекучая модель атомного ядра, которая достаточно хорошо описывает экспериментальные данные^[1].
• В 1995 году в экспериментах с разреженными газами щелочных металлов были достигнуты достаточно низкие температуры для того, чтобы газ перешел в состояние бозе-эйнштейновского конденсата. Как и ожидалось на основании теоретических вычислений, полученный конденсат вёл себя как сверхтекучая жидкость. В последующих экспериментах было установлено, что при движении тел сквозь этот конденсат со скоростями меньше критической никакой передачи энергии от тела к конденсату не происходит.
• В 2000 году Ян Петер Тоэнниэс демонстрирует сверхтекучесть водорода при 0,15 K^[2]
• В 2004 году было объявлено об открытии сверхтекучести и у твёрдого гелия. Последующие исследования, однако, показали, что ситуация далеко не столь проста, и потому говорить об экспериментальном обнаружении этого явления пока преждевременно.
• С 2004 года, на основании результатов ряда теоретических работ^[3] предполагается, что при давлениях порядка 4 миллионов атмосфер и выше водород становится не способным переходить в твердую фазу при любом охлаждении (как и гелий при нормальном давлении) образуя тем самым сверхтекучую жидкость. Прямые экспериментальные подтверждения или опровержения пока отсутствуют.
• Существуют также работы, предсказывающие сверхтекучесть в холодном нейтронном или кварковом агрегатном состоянии. Это может оказаться важным для понимания физики нейтронных и кварковых звёзд.
• В 2005 году была открыта сверхтекучесть в холодном разреженном газе фермионов^[4].
• В 2009 году была продемонстрирована сверхтекучесть типа «supersolid» в холодном разреженном газе рубидия^[5].

Современные направления исследования

• Турбулентность в сверхтекучей жидкости
• Сверхтекучесть в системах с внутренними степенями свободы
• Связь сверхпроводящих и сверхтекучих фаз
• Спиновая сверхтекучесть
• Поиск новых веществ со сверхтекучими фазами

Высокотемпературная сверхтекучесть

Высокотемпературная сверхтекучесть — термин, относящийся к явлениям, напоминающим обычную «низкотемпературную» сверхтекучесть, проявляющимся при комнатных температурах. Физика этого явления также отличается от физики обычной сверхтекучести. Например, течение воды в трубе круглого сечения обладает свойствами высокотемпературной сверхтекучести. Это проявляется в том, что значение числа Рейнольдса, при котором происходит переход к турбулентному режиму превосходит на два порядка значения для труб другого сечения, что можно истолковать как понижение на столько же порядков эффективной вязкости. Это можно объяснить, если так же как и в теории обычной сверхтекучести представить жидкость (воду) как состоящую из двух компонент-нормальной и сверхтекучей. Плотность сверхтекучей компоненты примерно на два порядка превышает плотность нормальной компоненты, что и объясняет увеличение на столько же значение критического числа Рейнольдса, которое зависит от плотности нормальной компоненты. Физика этого явления связана с учетом взаимодействия волн плотности в жидкости и упругих волн изгиба в стенках трубы. За счет этой связи происходит ослабление отталкивания одноименных флуктуаций плотности жидкости благодаря экранированию его указанным взаимодействием. Условие экранирования совпадает с условием Ландау обычной сверхтекучести. Спектр возбуждений в рассматриваемой системе имеет при малых волновых числах фононный характер, а при звуковых скоростях течения обладает также характерным ротонным минимумом, напоминая спектр возбуждений в сверхтекучем гелии.

Явление высокотемпературной сверхтекучести может иметь место при движении морских животных (дельфинов) в воде, позволяя им развивать большую скорость. Первоначальные оценки необходимых для этого мышечных усилий при условии турбулентного обтекания показали, что эти усилия превышают возможности дельфинов в 10 раз (парадокс Грея). Впоследствии выяснилось, что благодаря строению кожи дельфина турбулентность гасится благодаря демпфирующему влиянию кожи и обтекающий поток ламинаризуется. Высказывалось мнение, что демпфирование — активный процесс, регулируемый центральной нервной системой дельфина.

Это явление использовалось на практике (М. Крамер, Германия, 1938 г.) для разработки специального покрытия торпед (ламинофоло), позволившего без увеличения мощности двигателя увеличить их скорость в 1,5 — 2 раза. В России, в 20-е годы XX века, изобретатель П. В. Митурич предложил конструкцию судна, у которого движителем выступал гибкий корпус, совершающий волнообразные движения.

Практическое использование. Современная практика

Практическое использование. Будущие перспективы использования

Примечания