Сверхтекучий ге́лий-4 () — фазовое состояние гелия-4, изотопа элемента гелия, в каком он проявляет свойства жидкости с нулевой вязкостью: течёт без трения по любой поверхности, протекает через очень мелкие поры, подчиняясь только своей собственной инерции. В то же время, в других экспериментах, тот же гелий проявляет свойства, присущие обычной жидкости (с ненулевой вязкостью). Сверхтекучее поведение гелия наблюдается при охлаждении его ниже критической температуры (~2,17 K). При температуре 1 K он становится сверхтекучим почти полностью.
Сверхтекучий гелий известен как основной объект квантовой гидродинамики и исследований . Формирование сверхтекучести считается заключённым с образованием конденсата Бозе-Эйнштейна. Свидетельством этого является тот факт, что сверхтекучесть в жидком гелии-4 наблюдается при гораздо более высоких температурах, чем её можно наблюдать в изотопе гелия-3. Каждый атом гелия-4 является бозоном, поскольку его спин равен нулю. Гелий-3, однако, является фермионом и может создавать бозоны только путём спаривания с аналогичным атомом при более низких температурах, в процессе, подобном спаривания электронов в явлении сверхпроводимости. Изотоп гелий-4 (⁴He) примерно в миллион раз более распространён, чем гелий-3 (³He), поэтому, когда речь идёт об использовании сверхтекучего гелия, обычно имеют в виду именно ⁴He. Небольшие примеси ³He не меняют поведение ⁴He: образуется раствор, который сохраняет сверхтекучие свойства, хотя температура перехода снижается. Растворы с высокой концентрацией ³He изучены недостаточно.
На сегодня единственной кроме гелия жидкостью, которой свойственно сверхтекучее состояние, является водород (в очень малых количествах — несколько десятков молекул — ведь обычно молекулы орто- и водорода хорошо перемешаны даже при очень низких температур).
История исследований Сжиженный гелий впервые получил Камерлинг-Оннес 10 июля 1908 года. Для этого надо было охладить газ до температуры около 4 K. 1910 Камерлинг-Оннес сумел охладить гелий до температуры 1,04 K. За эти исследования он получил Нобелевскую премию 1913 года. Охладить сжиженный гелий до 1 К можно путём испарения под пониженным давлением (с применением вакуумного насоса) .Эффект сверхтекучести сжиженного гелия был обнаружен Петром Капицей, Джоном Аленом и в 1937 году. С тех пор он был описан через феноменологические и микроскопические теории. За открытие термина "Сверхтекучесть" Петр Капица получил Нобелевскую премию по физике 1978 года.
В 50-е годы XX века Холл (Hall H.E.) и Вайнен (Vinen W.F.) провели эксперименты, которые установили существование квантованных вихревых линий в сверхтекучем гелии. В 60-е годы Рейфилд (Rayfield) и Райф (Reif) установили существование квантовых вихревых колец. Паккард (Packard) наблюдал пересечение вихревых линий со свободной поверхностью жидкости. Авенель (Avenel) и Вероку (Varoquaux) изучали эффект Джозефсона в сверхтекучем гелии 4. В 2006 году группа учёных из Университета штата Мэриленд визуализировали квантовые вихри с помощью небольших маркерных частиц твёрдого водорода.
В XXI веке В начале 2000-х годов, физики создали фермионный конденсат из пар ультрахолодных атомов-фермионов. При определённых условиях пары фермионов образуют двухатомные молекулы, и в их системе становится возможной конденсация Бозе-Эйнштейна. В другой крайности фермионы (в частности, большинство сверхпроводящих электронов) образуют куперовские пары, для которых также свойственна сверхтекучесть. Эта работа про ультрахолодные атомные газы позволила исследовать область между этими двумя крайностями, известную как BEC-BCS кроссовер.
Сверхтекучие твердые тела, возможно, также были обнаружены в 2004 году физиками с университета штата Пенсильвания. Если гелий-4 охладить до температуры ниже, чем примерно 200 мК при высоком давлении, около однопроцентная часть твердого тела, как представляется, становится сверхтекучейMoses Chan's Research Group. «Supersolid .» Penn State University, 2004.. Было показано с помощью эксперимента торсионного осциллятора, что при резком охлаждении или удлинение времени нормализации, тем самым увеличивая или уменьшая плотность дефектов соответственно, фракция сверхтекучего твердого тела может быть в диапазоне от 20 % до полностью отсутствующей. Это позволило предположить, что сверхтекучая твердотельная природа гелия-4 не присуща гелию-4, но является свойством гелия-4 и неупорядоченности.
Свойства
Диаграмма состояния на рисунке 1 показывает уникальное свойство 4 He, который может находиться в жидком состоянии даже при абсолютном нуле. Твердеет он только под давлением более 25 бар.
На этой диаграмме также показана λ-линия, которая разделяет два участка жидкого состояния, обозначенные на диаграмме как He-I и He-II. На участке He-I гелий ведёт себя как нормальная жидкость, а на области He-II он сверхтекучий.
Название лямбда-линии происходит от своеобразного графика зависимости теплоемкости от температуры, которая напоминает форму греческой буквы λ (лямбда). Пик теплоемкости наблюдается при температуре 2,172 К (рисунок 2), которую называют λ-точкой.
Левее лямбда-линии поведение гелия феноменологически может быть описана так называемой двухжидкостной моделью. Он ведёт себя так, как будто состоит из двух компонент: нормальной, что ведёт себя как обычная жидкость, и сверхтекучей компоненты с нулевой вязкостью и нулевой энтропией. Соотношение плотности нормальной (ρn) и сверхтекучей (ρ s) компоненты зависит от температуры и представлены на рисунке 3 E.L. Andronikashvili Zh. Éksp. Teor. Fiz, Vol.16 p.780 (1946), Vol.18 p. 424 (1948). При снижении температуры, доля плотности сверхтекучей компоненты (ρs/ρ) возрастает от нуля при T λ к единице при нулевой температуре по Кельвину. Ниже 1 K гелий почти полностью сверхтекучий. Ниже температуры 0,7 K зависимость плотности нормальной компоненты от температуры имеет вид ρn ~ T4.
Можно создавать плотностные волны нормальной компоненты (а следовательно, сверхтекучей компоненты, поскольку как ρn + ρs = константе), которые напоминают обычные звуковые волны. Этот эффект называется вторым звуком. Через температурную зависимость ρn (рисунок 3) эти волны в ρn также являются температурными волнами.
Поток плёнки Много обычных жидкостей, такие как спирт или нефть, будут ползти вверх твердыми стенками благодаря явлению смачивания, обусловленном поверхностным натяжением. У жидкого гелия также есть это свойство, но, в случае He-II, поток жидкости в слое ограничивается не его вязкостью, а критической скоростью, составляющей около 20 см/с. Это достаточно высокая скорость, поэтому сверхтекучий гелий может сравнительно легко течь вверх стенками пустого контейнера, частично погруженного в жидкость, дотекать до верха и перетекать через край, заполняя контейнер до уровня жидкости снаружи. Этот сифонный эффект схематично показано на рисунке 4. Если наполненный контейнер поднять выше уровня жидкости, то поток плёнки образует видимые капли на дне контейнера, как показано на рисунке 5. Однако было замечено, что поток через нанопористую мембрану становится ограниченным, если диаметр пор составляет менее 0,7 нм (т. е. примерно в три раза больше классического диаметра атома гелия), предполагая, что необычные гидродинамические свойства гелия возникают в большем масштабе, чем в классическом жидком гелии.
Разница с гелием-3 Хотя феноменологии сверхтекучих состояний гелия-4 и гелия-3 очень похожи, но микроскопические детали переходов значительно отличаются. Атомы гелия-4 являются бозонами, и их сверхтекучесть может быть объяснена с точки зрения статистики Бозе-Эйнштейна, которой они подчиняются. В частности, сверхтекучесть гелия-4 можно рассматривать как следствие конденсации Бозе-Эйнштейна в системе с взаимодействием. С другой стороны, атомы гелия-3 являются фермионами, и сверхтекучей переход в этой системе описывается обобщением теории сверхпроводимости БКШ. В этой теории происходят куперовские спаривания между атомами (а не электронами, как в БКШ) и взаимодействие притяжения между ними передаётся через спиновые, а не фононные флуктуации. Объединённое описание сверхпроводимости и сверхтекучести возможно с точки зрения спонтанного нарушения калибровочной симметрии.
Двокомпонентность Сверхтекучие жидкости, такие как гелий-4 ниже лямбда-точки, имеют немало необычных свойств. Сверхтекучесть работает так, как будто жидкость представляет собой смесь составляющих со свойствами обычной жидкости и сверхтекучей компонент. Сверхтекучая компонента имеет нулевую вязкость и нулевую энтропию. Приложения тепла в зону в сверхтекучем гелии приводит к потоку нормальной компоненты, который обеспечивает перенос тепла с относительно высокой скоростью (до 20 см/с), что приводит к очень высокой эффективной теплопроводности.
Квантовые вихри Другое фундаментальное свойство проявляется, если сверхтекучую жидкость вместить в центрифугу (контейнер, который вращается). Вместо того, чтобы вращаться вместе с контейнером, в гелии возникают квантовые вихри. То есть, когда контейнер вращается со скоростью ниже первой критической угловой скорости, жидкость остаётся абсолютно неподвижной. После того, как будет достигнута первая критическая угловая скорость, сверхтекучая жидкость образует вихрь. Сила вихря квантована, то есть сверхтекучая жидкость может вращаться только при определённых «допустимых» значениях угловой скорости. Вращения нормальной жидкости, такой, как вода, не квантуется. Если скорость вращения увеличивается дальше, будут формироваться новые квантовые вихри, образуя интересные узоры, аналогичные решётке Абрикосова в сверхпроводнике.
Сверхтекучая гидродинамика Уравнения движения для сверхтекучей компоненты, в несколько упрощённом видеS.J. Putterman, Superfluid Hydrodynamics (North-Holland Publishing Company, Amsterdam, 1974) ISBN 0444106812, задаётся законом Ньютона
M4 — молярная масса 4He и скорость сверхтекучей компоненты. Производная по времени — так называемая гидродинамическая производная, то есть записана для элемента жидкости, который сам движется. В случае сверхтекучего 4He в гравитационном поле сила задаётся какL.D. Landau, J. Phys. USSR, Vol.5 (1941) p.71.I.M. Khalatnikov, An introduction to the theory of superfluidity (W.A. Benjamin, Inc., New York, 1965) ISBN 0738203009.
В этом уравнении μ — мольный химический потенциал, g — гравитационное ускорение, и z — вертикальная координата. Таким образом, (1) Уравнение (1) выполняется тогда и только тогда, когда vs не превышает критическое значение, которое, как правило, определяется диаметром канала потока.
В классической механике сила часто является градиентом потенциальной энергии. Уравнение (1) показывает, что, в случае сверхтекучей компоненты, сила содержит член пропорциональный градиенту химического потенциала. Благодаря этому He-II демонстрирует такие замечательные свойства как фонтанный эффект.
Фонтанное давление Для того, чтобы переписать уравнение (1) в более привычную форму мы используем общую формулу | (2) Здесь Sm молярная энтропия и V m молярный объём. С помощью уравнения (2) μ(p,T) можно определить с помощью контурного интегрирования в р-Т плоскости. Сначала мы интегрируем от начала координат (0,0) до (p, 0), то есть, при T = 0. Далее мы интегрируем с (р, 0) до (p,T), то есть, с постоянным давлением (см. рисунок 6). В первом интеграле dT = 0, а во втором dp = 0. С помощью уравнения (2) получаем | (3) Мы заинтересованы только в тех случаях, когда р маленькое, так что V m практически неизменный. Следовательно, | (4) Где V m0 молярный объём жидкости при T = 0 и p = 0. Другой член в уравнении (3) также записывается в виде произведения Vm0 и величины pf которая имеет размерность давления | (5)