Звышцякучасць

Звышцякучасць — здольнасць рэчыва ў адмысловым стане (квантавай вадкасці), які ўзнікае пры паніжэнні тэмпературы да абсалютнага нуля (тэрмадынамічная фаза), працякаць праз вузкія шчыліны і капіляры без трэння. Да нядаўняга часу звышцякучасці была вядомая толькі ў вадкага гелія, аднак у апошнія гады звышцякучасць была выяўлена і ў іншых сістэмах: у разрэджаных атамных бозэ-кандэнсатаў, цвёрдаму гелію.

Звышцякучасць тлумачыцца наступным чынам. Паколькі атамы гелію з’яўляюцца базонамі, квантавая механіка дапускае знаходжанне ў адным стане адвольнага ліку часціц. Паблізу абсалютнага нуля тэмператур усе атамы гелію аказваюцца ў асноўным энергетычным стане. Паколькі энергія станаў дыскрэтная, атам можа атрымаць не любую энергію, а толькі такую, якая роўная энергетычным зазору паміж суседнімі ўзроўнямі энергіі. Але пры нізкай тэмпературы энергія сутыкненняў можа апынуцца менш гэтай велічыні, у выніку чаго рассейванне энергіі папросту не будзе адбывацца. Вадкасць будзе цячы без трэння.

Звышцякучасць вадкага гелія-II ніжэй лямбда-пункту (T = 2,172 Да) была эксперыментальна адкрыта ў 1938 П. Л. Капіцай (Нобелеўская прэмія па фізіцы за 1978). Ужо да гэтага было вядома, што пры праходжанні гэтага пункту вадкі гелій адчувае фазавы пераход, пераходзячы з цалкам «нармальнага» стану (званага гелій-I​​) у новы стан так званага гелія-II, аднак толькі Капіца паказаў, што гелій-II цячэ наогул (у межах эксперыментальных хібнасцей) без трэння.

Тэорыя з'явы звышцякучага гелія-II была распрацавана Л. Д. Ландау (Нобелеўская прэмія па фізіцы за 1962).

На сённяшні дзень устаноўлена, што каэфіцыент глейкасці ў гелія-II менш 10⁻¹² Па·с, у той час як у гелія-I паблізу тэмпературы 4,22 К гэты каэфіцыент мае велічыню парадку 10⁻⁶ Па·с.

У рамках двухвадкаснай мадэлі, гелій-II ўяўляе сабой сумесь двух узаемапранікальных вадкасцей: звышцякучай і нармальнай кампанент. Звышцякучая кампанента ўяўляе сабой уласна вадкі гелій, які знаходзіцца ў квантава-карэляванам стане, аналагічным стане бозэ-кандэнсату (аднак, у адрозненне ад кандэнсату разрэджаных пароў атамаў, гелій знаходзіцца ў рэжыме моцнай сувязі). Гэтая кампанента рухаецца без трэння, валодае нулявой тэмпературай і не ўдзельнічае ў пераносе энергіі ў форме цеплыні. Нармальная кампанента ўяўляе сабой газ квазічасціц двух тыпаў: фанонаў і ратонаў, г. зн. элементарных узбуджэнняў квантавакарэляванай вадкасці; яна рухаецца з трэннем і ўдзельнічае ў пераносе энергіі.

Пры нулявой тэмпературы ў гелію адсутнічае свабодная энергія, якую можна было б выдаткаваць на нараджэнне квазічасціц, і таму гелій знаходзіцца цалкам у звышцякучаму стане. Пры павышэнні тэмпературы шчыльнасць газу квазічасцмц (перш за ўсё, фанонаў) расце, і доля звышцякучай кампаненты падае. Паблізу тэмпературы лямбда-пункту канцэнтрацыя квазічасціц становіцца гэтак вялікая, што яны ўтвараюць ужо не газ, а вадкасць квазічасціц, і, нарэшце, пры перавышэнні тэмпературы лямбда-пункту макраскапічныя квантавая кагерэнтнасць губляецца, і звышцякучая кампанента знікае зусім. Адносная доля нармальнай кампаненты паказана на малюнку справа.

Пры праходжанні гелія скрозь шчыліны з малой хуткасцю, звышцякучая кампанента, па азначэнні, абцякае ўсе перашкоды без страты кінетычнай энергіі, гэта значыць без трэння. Трэнне магло б паўстаць, калі б які-небудзь выступ шчыліны спараджаў б квазічасціцы, якія забяруць у розныя бакі імпульс вадкасці. Аднак такая з'ява пры малых хуткасцях плыні энергетычна нявыгадна, і толькі пры перавышэнні крытычнай хуткасці плыні пачынаюць генеравацца ратоны.

Гэтая мадэль, па-першае, добра тлумачыць разнастайныя тэрмамеханічныя, светамеханічныя і т. п. з'явы, якія назіраюцца ў гелію-II, а па-другое, трывала грунтуецца на квантавай механіцы.

• У 1995 годзе ў эксперыментах з разрэджанымі газамі шчолачных металаў былі дасягнуты дастаткова нізкія тэмпературы для таго, каб газ перайшоў у стан бозэ-эйнштэйнаўскага кандэнсату. Як і чакалася на падставе тэарэтычных вылічэнняў, атрыманы кандэнсат паводзіў сябе як звышцякучая вадкасць. У наступных эксперыментах было ўстаноўлена, што пры руху цел скрозь гэты кандэнсат са хуткасцямі менш крытычнай ніякай перадачы энергіі ад цела да кандэнсату не адбываецца.
• У 2000 годзе Ян Петэр Тоэніэс дэманструе звышцякучасці вадароду пры 0,15 K ^[1]
• У 2004 годзе было абвешчана аб адкрыцці звышцякучасці і ў цвёрдага гелія. Наступныя даследаванні, аднак, паказалі, што сітуацыя далёка не гэтак простая, і таму казаць пра эксперыментальныя выяўленні гэтай з'явы пакуль заўчасна.
• З 2004 года, на падставе вынікаў шэрагу тэарэтычных прац ref>Egor Babaev; Asle Sudbo, N. W. Ashcroft. A superconductor to superfluid phase transition in liquid metallic hydrogen (англ.) (18 кастрычніка 2004). Праверана 20 сакавіка 2009.</ref> мяркуецца, што пры цісках каля 4 мільёнаў атмасфер і вышэй вадарод становіцца не здольным пераходзіць у цвёрдую фазу пры любым астуджэнні (як і гелій пры нармальным ціску), утвараючы тым самым звышцякучую вадкасць. Прамыя эксперыментальныя пацверджання або абвяржэння пакуль адсутнічаюць. Існуюць таксама работы, якія прадказваюць звышцякучасці ў халодным нейтронным або кварковым агрэгатным стане. Гэта можа апынуцца важным для разумення фізікі нейтронных і кваркавых зорак.
• У 2005 годзе была адкрыта звышцякучасць у халодным разрэджаным газе ферміёнаў ^[2].
• У 2009 годзе была прадэманстравана звышцякучасць тыпу «supersolid» ў халодным разрэджаным газе рубідыю ^[3].

• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986, 736 с.
• Зайко Ю. Н. Распространение волн в жидкости, протекающей в жидкости с упругими стенками. Письма в ЖТФ, 2001, Т. 27, вып. 16, с. 27-31.
• Зайко Ю. Н. Модель течения жидкости в сосуде с упругими стенками. Письма в ЖТФ, 2002, Т. 28, вып. 24, с. 15-19.
• P.W. Carpenter, C. Davis, A.D. Lucey. Hydrodynamics and compliant walls: Does dolphin have a secret?./Current Science, 25 September 2000, Vol. 70, No 6, pp. 758–765.
• Л. С. Шапиро. Создание и развитие подводного корабля. К патентам Природы Архівавана 15 мая 2007.
• О роли нулевых колебаний в образовании сверхпроводящего и сверхтекучего состояний