Суперфлуиди

Из Википедије, слободне енциклопедије
Иди на навигацију Иди на претрагу
Хелијум-4 ће „пузати“ дуж површина како би пронашао властити ниво. Након кратког времена, нивои у две посуде ће се изједначити. Филм такође покрива унутрашњост веће посуде, да није затворена, хелијум-4 би изашао из ње.

Суперфлуидност је стање материје када вискозност флуида постаје нула. Ова особина се испољава кроз ефекте у малим капиларама када се флуид кроз њих креће или излази кроз отвор без трења.[1] За суперфлуидност се каже да је то макроскопски квантни ефекат, јер се појава суперфлуидности може објаснити само квантном, не и класичном физиком, а могуће га је уочити у капиларама чији су пречници до неколико милиметара.

За флуид се каже да је суперфлуидан све док се у њему не дође до појаве елементарних ексцитација, као што је нпр. појава фонона.

Историјат[уреди]

Суперфлуидност је једна од главних појава која се проучава у квантној хидродинамици, а открили су је 1937. године Пјотр Капица, и независно од њега Џон Ф. Ален и Дон Мисенер у течном хелијуму. Убрзо након што је 1907. године Камерлих Онес у лабораторији у Лајдену открио да хелијум може да постоји у течном агрегатном стању, примећено је да течни хелијум има необичне особине. Капица, Ален и Мисенер су потпуну одсутност висконзности у течном хелијуму, односно проток у потпуности без трења, назвали суперфлуидност, а појаву објаснили феноменолошки и микроскопском теоријом.

Фриц Лондон је претпоставио да би појава суперфлуидности могла бити повезана са до тада експериментално непотврђеном теоријом да идеални бозонски гас на ниским температурама (изузетно ниским температурама од испод неколико Келвина) подлеже ефекту Бозе-Ајнштајнове кондензације. Лондон је такође претпоставио да би суперфлуидност могла бити повезана са суперпроводношћу која је као појава откривена годинама пре, претпостављајући да се суперпроводност може видети као суперфлуидност електронског гаса у металу. Лондон је заједно са Ласлом Тисом предложио опис суперфлуидне фазе моделом два флуида - једног обичног флуида и једног у којем су атоми кондензовани који одговара суперфлуидној компоненти. Значајан допринос опису суперфлуидности приписује се Леву Ландау који је 1941. године по идеји модела два флуида али са оригиналном микроскопском идејом описао суперфлуид преко две врсте тада познатих квазичестичних ексцитација - фотона и ротона.

1950-их година Ричард Фејнман је испитивао повезаност суперфлуидности течног хелијума са бозонском статистиком која описује молекуле хелијумског гаса или флуида. Онсагер и Фејнман су независно један од другог предвидели појаву вортекса, односно вртлога, у суперфлуидном систему, те да је флукс коју сваки може поседовати строго квантован, односно одређена до на умножак одређеног минималног флукса. Ова теоретска предвиђања су експериментално потврдили Хал и Венен су 1950. године. Рејфилд и Реиф 1960. су доказали су постојање вортекса.

Позната БЦС теорија суперпроводности коју су 1957. године предложили Бардин, Купер и Шрифер допринела је разумевању и повезивању суперпроводности и суперфлуидности. Квантизација флукса је пронађена и у суперпроводницима типа ||.[2]

Пакард је посматрао пресецање вртложних редова са слободне површине флуида, и Авенел и Варокуакс су проучавали Јозепов ефекат у суперфлуиду хелијума-4. Када се хелијум доведе на температуру од -274.4 °C, почиње да се креће.[2]

Неке теорије[уреди]

Л. Д. Ландов феномен и полу микроскопске теорије супер флуида хелијума-4 добио је Нобелову награду за физику 1962. Претпостављајући да су звучни таласи најважнији надражаји у хелијум-4 на ниским температурам, он је показао да хелијум-4 протичући кроз зидове неће спонтано направити надражаје ако је протицанње брзине мање од звучне брзине. У овом моделу брзина звука је критична брзина изнад које супер флуид бива уништен. (Хелијум-4 има мању брзину протока од звучне брзине, али овај модел је користан да илуструје концепт.) Ландов је такође показао да звучни таласи и остали надражаји могу да се уравнотеже и проћи одвојено од осталих хелијум-4 названих „кондензаторима“.

Од замаха и протицања и протока брзине надражаја он може да дефинише нормалну флуидну густину. И на тако названој Ламбда температури, где је густина нормалног флуида једнака тоталној густини, хелијум-4 није више суперфлуид.

Да би објаснио рану квалификацију података на суперфлуиду хелијума-4, Ландау био сигуран у постојање типа постојања који је назвао „ротор“, али кад су бољи подаци постали доступни он је сматрао да је ротор био сам као велики замах верзије звука.

Бил је у 1940. године и Фејман око 1955. године извео микроскопске теорије за ротор, које су биле укратко посматране са непривлачним неутроном на експериментима Палевског.

Ландау је међутим ту брзину убацио у суперфлуид хелијума-4 брзине листа, где се показао нестабилан. Онсагер и, независно, Фејман је показао да брзина улази количином редова. Они такође развијају идеју о количини вртложних кругова.

Супер флуиди су као и суперпроводници повезани са испољавањем различитих особина на ниским температурама. Суперфлуиди могу да се посматрају само при нижим температурама од температура супер проводника, хелијум-4 не испољава особине суперфлуида док се не спусти на приближно 2 келвина, али те температуре се не достижу лако.

Последице[уреди]

Када материјал постане суперфлуид, он се чудно понаша:

  • Када се стави у отворену посуду, он се подиже са страна и прелива се преко врха;
  • Када се посуда са течношћу заокрене у односу на свој првобитни положај, течност унутра се неће никад померити, вискозитет течности је нула, или посуда са течношћу може да се помера било којом брзином, а да не утиче на течност која је окружује;
  • Ако сија светлост у посуду са супер флуидом и налази се отвор на врху, флуид ће направити облик фонтане и излазити са излаза на врху

Ламбда тачка[уреди]

Однос суперфлуидне границе хелијума 4 између специфичног топлотног капацитета и његове температуре

Тачка при којој течност постаје суперфлуид се назива ламбда тачка. То је зато што област која окружује специфичног топлотног капацитета и температуре формира облик грчког слова ламбда.

График има асимптоту у својој ламбда тачки, то је када се атоми довољно полако померају из јединственог енергетског стања и онда нису под утицајем других атома. Изнад ламбда тачке сви атоми се крећу у неодређеном правцу, али испод ове температуре они се сви крећу оранизовано. Ове ефекте можемо да видимо код хелијума 4 зато што је још увек течност на овим ниским температурама док већина супстанце очврсне изнад ових температура.

Референце[уреди]

  1. ^ Статистичка физика, други део (volume 9). Pergamon Press Ltd. 1980. стр. 88. ISBN 978-0-08-023073-3.  |first1= захтева |last1= у Authors list (помоћ)
  2. 2,0 2,1 Vinen, W. F. „THE PHYSICS OF SUPERFLUID HELIUM” (PDF). cds.cern.ch. 

Литература[уреди]

  • Статистичка физика, други део (volume 9). Pergamon Press Ltd. 1980. стр. 88. ISBN 978-0-08-023073-3.  |first1= захтева |last1= у Authors list (помоћ)

Спољашње везе[уреди]