Сверхтекучесть жидкого гелия


Как мы знаем, любое плывущее в жидкости тело рано или поздно остановится за счет сил вязкого трения, если его движение не поддерживается каким-нибудь двигателем. Но есть жидкости, называемые сверхтекучими, в которых вязкое трение отсутствует(*). Самый известный пример сверхтекучей жидкости – это жидкий гелий, охлажденный, как минимум, до 2.17 градусов выше абсолютного нуля температуры.

Движение при полном отсутствии вязкости проявляется во многих впечатляющих эффектах: сверхтекучий гелий легко протекает через самые узкие щели и трещины, способен бесконечно течь по кругу(**) и вытекать из сосуда через тончайшую жидкую пленку, налипшую на его стенки. Все эти явления – примеры крупномасштабных квантовых эффектов.

В недавней теоретической статье был рассмотрен вопрос: можно ли плавать в сверхтекучей жидкости? Иными словами, может ли гипотетический пловец, двигая руками и ногами, создавать силу тяги, позволяющую ему разгоняться или замедляться, не задействуя силы вязкого трения?


Осознать нетривиальность ответа на этот вопрос можно, рассматривая поведение нормальной и сверхтекучей жидкостей при взаимодействии с телами. Как показано на рисунке, нормальную жидкость можно заставить двигаться, как толкая ее поверхностью твердого тела, так и увлекая ее за собой за счет сил вязкого трения. В сверхтекучей жидкости последнее не получится: трение в ней отсутствует, и ее можно только толкать, что, как мы увидим, делает невозможным некоторые способы плавания.

Для анализа общих принципов физических явлений принято рассматривать простые модели «сферических коней в вакууме». Обсуждаемая статья не является исключением: в ней были рассмотрены двухтельный и трехтельный модельные «пловцы», представляющие собой два и три эллипсоида, соединенных «суставами». Пловцы могут двигать своими эллипсоидами, сгибая и разгибая суставы. Если у пловца получится отталкиваться от окружающей жидкости, он создаст силу тяги и начнет двигаться.

Двухтельный пловец похож на двустворчатого моллюска и может пытаться плыть, периодически изменяя угол между своими эллипсоидами подобно машущей крыльями бабочке. Однако расчеты показывают, что плыть у него не получится: при взмахах пловец перемещается вперед и назад, но в среднем остается на месте (здесь можно посмотреть видео его незамысловатых движений).

Наверху: профиль плотности сверхтекучей жидкости в разные моменты времени. Синие участки, откуда жидкость выталкивается – это эллипсоиды двухтельного пловца.
Внизу: координата пловца как функция времени.


Можно провести параллели между этим результатам и теоремой Пёрселла о морском гребешке (Purcell’s scallop theorem). Эта важная теорема теории плавания гласит, что двустворчатый моллюск, медленно открывающий и закрывающий свою раковину в вязкой жидкости, не будет никуда плыть, коль скоро его движения будут обратимы во времени. Последнее означает, что периодические открывания и закрывания створок раковины не меняют свой вид при запуске времени в обратном направлении (можно представить себе видеоролик, выглядящий просмотре задом наперед точно так же, как при нормальном воспроизведении). В нашем случае жидкость не имеет вязкости, и работает не сама теорема Пёрселла, а ее аналог для сверхтекучей жидкости.

Рисунок из доклада Эдварда Пёрселла (лауреата Нобелевской премии по физике в 1952 году).

Ситуация меняется, когда двухтельный пловец начинает размахивать своими эллипсоидами с большей частотой. Если скорость их движения превышает скорость звука в жидкости, начинают испускаться звуковые волны и вихри(***). Эти возбуждения уносят с собой некоторый импульс, который, за счет отдачи, заставляет пловца двигаться. На рисунке видно, что в этом случае его координата хоть и колеблется, но с течением времени в целом уменьшается, а это значит, что пловец движется справа налево. После десяти колебаний (справа от пунктирной линии на графике) взмахи створками прекращаются, и пловец продолжает двигаться по инерции (видео).


Можно попробовать и другой тип движения пловца, когда его створки смыкаются и раздвигаются не только в правом направлении, а попеременно в двух направлениях. Такие симметричные движения похожи на взмахи крыльев бабочки. Расчеты показывают, что при этом возбуждается много квантованных вихрей (они видны на рисунке как маленькие кружочки), но, в целом, плавание не очень эффективно. Причина в том, что возбуждается примерно одинаковое количество вихрей, движущихся как вправо, так и влево, и уносимые ими импульсы в значительной мере компенсируют друг друга (видео).

Рассмотрим теперь трехтельного пловца. Перед двухтельным у него есть важное преимущество: он может извиваться, совершая змеевидные движения, которые не переходят сами в себя при обращении времени. А значит, теорема Пёрселла к нему неприменима, и он должен плыть даже при медленных движениях. Приведенные на рисунке расчеты подтверждают эту догадку: при извивающихся движениях пловец уверенно продвигается по горизонтали, при этом немного смещаясь и по вертикали (видео).

Наверху: профиль плотности сверхтекучей жидкости в разные моменты времени. Синие участки, откуда жидкость выталкивается – это эллипсоиды трехтельного пловца.
Внизу: горизонтальная (X) и вертикальная (Y) координаты пловца как функции времени.


Какое применение можно найти полученным результатам? Казалось бы, задача о плавании в сверхтекучей жидкости не особо актуальна на практике, но есть одна область, где она может быть полезной. В последнее время активно развиваются эксперименты с бозе-конденсацией и сверхтекучестью ультрахолодных атомных газов, с которыми связывают большие планы по созданию квантовых симуляторов, квантовых компьютеров и экспериментальному моделированию экзотических состояний материи. В таких системах можно создавать сгустки сверхтекучего газа одного вида, погруженные в сверхтекучий газ другого вида. Если мы сможем деформировать сгусток так, как нам нужно (а это можно делать с помощью лазерных лучей), то можно будет заставить этот сгусток плыть, отталкиваясь от окружающего газа. На рисунке показаны расчеты, демонстрирующие такую возможность: когда изменения формы сгустка не являются обратимыми во времени, ему действительно удается двигаться (видео).

Итак, мы видим, что плавать в сверхтекучей жидкости нужно с умом: теорема Пёрселла гарантирует, что мы не сможем плыть, если наши движения руками и ногами будут совпадать с самими собой при проигрывании в обратном направлении. Чтобы начать перемещаться, нам нужно будет либо двигаться быстрее звука (что проблематично), либо извиваться подобно змее, нарушив обратимость движений во времени. Эти выводы хорошо знакомы плавающим в вязкой жидкости микроорганизмам: для того, чтобы обойти теорему Пёрселла, им приходится использовать спирально вращающиеся жгутики, являющиеся аналогами рассмотренного здесь трехтельного пловца.


По материалам статьи:
Hiroki Saito, Can We Swim in Superfluids?: Numerical Demonstration of Self-Propulsion in a Bose–Einstein Condensate, Journal of the Physical Society of Japan 84, 114001 (2015).

(*)На самом деле, это не совсем так: любая реальная сверхтекучая жидкость может быть представлена как совокупность «нормальной» и сверхтекучей компонент (двухжидкостная модель), и нормальная компонента будет по-прежнему замедлять движущееся тело. Однако это не мешает сверхтекучей компоненте двигаться полностью без трения.

(**)На практике круговой поток сверхтекучего гелия может затухать, но не из-за вязкости, а за счет квантовомеханического процесса – проскальзывания квантованных вихрей. В экспериментах не наблюдалось никакого заметного затухания в течение 18 часов.

(***)Возникающие в сверхтекучей жидкости вихри – это не просто вихри наподобие маленьких торнадо, а квантованные топологические возбуждения. В отличие от обычных вихрей, они не могут просто исчезнуть за счет постепенного затухания потока.

Источник: habr.com

Сверхтекучесть — чудесное свойство жидкого гелия


Сверхтекучесть - чудесное свойство жидкого гелия

Гелий — единственный элемент, который при атмосферном давлении не переходит в твёрдое состояние, а остаётся жидким даже при температуре, приближающейся к абсолютному нулю.

Гелий — инертный газ, второй после водорода по степени распространённости во Вселенной. Наиболее широко распространён его изотоп гелий-4. В его ядре 2 протона и 2 нейтрона. Из него состоит почти весь гелий, встречающийся в атмосфере. 99,999863% всего гелия на Земле — это гелий-4. Второй известный изотоп гелия — гелий-3, ядро которого состоит из 2 протонов и 1 нейтрона. Ему принадлежит 0,000137 % от атмосферного гелия.

Впервые жидкий гелий получил в 1908 г. голландский физик и химик Хейке Камерлинг-Оннес, до этого создавший экспериментальную установку для сжижения газов. На этой установке ему удалось перевести в жидкое состояние кислород, неон, а в 1906 г. он получил жидкий водород.

Сверхтекучесть - чудесное свойство жидкого гелия


Хейке Камерлинг-Оннес

В 1922 г., проводя опыты, учёный обнаружил, что налитый им в пробирку жидкий гелий сам по себе поднимается по стенкам сосуда и вытекает наружу. Он поместил эту пробирку в ванну, наполненную гелием. Гелий вытекал до тех пор, пока его уровень не сравнялся с уровнем гелия в ванне. Если же уровень гелия в ванне был ниже, чем сама пробирка, гелий вытекал весь. Удивительно, но жидкий гелий способен перетекать из ёмкости, заполненной им, в абсолютно пустой стакан, погруженный в эту ёмкость, даже если верх этого стакана расположен выше уровня жидкости. И этот процесс будет происходить до тех пор, пока их уровни не сравняются.

Все описанные явления относятся к изотопу гелия-4. Объяснить их природу смогли лишь после того, как советский физик, академик Пётр Леонидович Капица открыл явление сверхтекучести, а другой выдающийся советский физик-теоретик Лев Давидович Ландау создал теорию сверхтекучести.

Сверхтекучесть жидкого гелия

Сверхтекучесть - чудесное свойство жидкого гелия 

Этот удивительный гелий

Чем ниже становится температура вещества, тем меньше скорость хаотического движения частиц в нём.


и приближении температуры к абсолютному нулю все тела должны затвердеть. Так и происходит со всеми веществами, но не с жидким гелием. Этот удивительный элемент вместо того чтобы превратиться в твёрдое тело, вдруг начинает вести себя необычно, когда его температура становится ниже 2,17 К (-271оС). С ним происходят просто чудеса. Если оставить незакрытой пробирку с таким гелием, то через некоторое время она будет пуста. Гелий покинет её, поднимаясь по внутренней стенке. И неважно, какой высоты будет эта пробирка. Оказывается, при такой температуре жидкий гелий полностью теряет вязкость, трение в нём исчезает, и он становится сверхтекучим.

Это необычное свойство гелия было экспериментально установлено в 1938 г. советским физиком, академиком Пётром Леонидовичем Капицей. Жидкий гелий, обладающий свойствами жидкости до температуры 2,17 К, он назвал гелием-I, а новый, сверхтекучий гелий — гелием-II. А температура Тƛ = 2,17 К стала называться лямбда-точкой.

Сверхтекучесть - чудесное свойство жидкого гелия

Пётр Леонидович Капица

Жидкий гелий-I обладал свойствами обыкновенной жидкости и ничем особенным не выделялся. Хотя его вязкость по сравнению с вязкостями других жидкостей была мала (примерно в 500 раз меньше вязкости воды), её всё же можно было измерить. А у гелия-II она отсутствовала вообще.


Во время своего опыта учёный пропускал жидкий гелий через щели настолько тонкие, что даже такое текучее вещество, как вода, еле-еле могло бы просочиться сквозь них за много лет. Едва заметному количеству гелия-I удалось проникнуть через щель за более короткое время. Зато огромное по сравнению с гелием-I количество гелия-II вылилось сквозь щель всего за несколько секунд. Так была открыта сверхтекучесть.

Сверхтекучестью называют способность вещества терять свою вязкость и приобретать способность без трения протекать через узкие щели и капилляры. Сверхтекучесть возникает, когда температура приближается к абсолютному нулю.

Источник: ency.info

Сверхтекучесть является особым квантовым состоянием некоторых веществ, например гелия, при очень низких температурах. Это явление заключается в том, что вещество может проходить через микроскопические щели без трения. Используя это свойство гелия, можно, например, проверять качество сварки или спайки, хотя это и слишком дорого.

Впервые сверхтекучесть наблюдалась у гелия-II П. Л. Капицей в 1938 году. Теоретическое объяснение было дано впоследствии Л. Д. Ландау.

Один из способов наблюдать явление сверхтекучести заключается в следующем: если сверхтекучий гелий поместить в стакан, он начнет вытекать наружу через его края в направлении более высокой температуры, даже если уровень жидкости сильно ниже этих краев.


В физическом смысле сверхтекучесть — это течение жидкости фактически без трения. На самом деле не всей жидкости, а какой-то ее части, и это зависит от температуры. Дело в том, что в сверхтекучем состоянии гелий состоит фактически из двух жидкостей: обычной и так называемого конденсата Бозе — Эйнштейна. Последний и обладает свойством сверхтекучести.

Атомы гелия-II являются бозонами. При низких температурах начинают проявляться квантовые свойства бозонов в жидкости. Этот тип частиц стремится пребывать в одном и том же квантовом состоянии. Последнее свойство используется, например, в лазерах, так как фотоны тоже являются бозонами. Поэтому частицы в конденсате стремятся все одновременно двигаться в одном и том же направлении. В этом и заключается обсуждаемое явление.

Почему же не происходит потерь на трение? Что подразумевается под трением? Говоря простым языком, в жидкости рождается какое-то возбуждение — грубо говоря, вортекс, — что и приводит к потере энергии течения на трение.

Критерий сверхтекучести Ландау объясняет, почему вы можете заставить жидкость течь с какой-то скоростью, не рождая в ней возбуждения, то есть не создавая трения. Для этого нужна определенная характеристика зависимости энергии возбуждений от их импульса. И в ней примечательное свойство — наличие так называемой энергетической щели:

Источник: postnauka.ru

Сверхтекучесть

«Точная формулировка премии звучит так: «за фундаментальные изобретения и открытия в области физики низких температур», однако главным фундаментальным открытием Капицы, безусловно, была сверхтекучесть, — поясняет Яков Фоминов. — Дело не в чувствительности приборов, а в том, что трения нет — совсем нет. Происходит так называемый фазовый переход, когда вещество переходит в другое состояние и радикально меняет свойства. Если поместить такой сверхтекучий гелий в сосуд, то он будет подниматься по стенкам, а потом сползать по ним снаружи, пока сосуд не опустеет».

Теоретическое объяснение странному поведению гелия дал в 1941 году еще один выдающийся советский физик, на тот момент коллега Капицы по ИФП Лев Ландау. Главным образом именно за эту работу он в 1962 году удостоился Нобелевской премии — на 16 лет раньше Капицы.

«Смысл объяснения Ландау в том, что при температурах ниже критической гелий переходит в особое состояние, когда частицы живут не по отдельности, а единым коллективом, — рассказывает Фоминов. — Это необычное состояние имеет квантовую природу. Атомы гелия относятся к классу бозонов — частиц, для которых работает статистика Бозе — Эйнштейна. Это означает, что неограниченное количество таких частиц могут находиться в одинаковом квантовом состоянии. Если охладить бозоны до сверхнизких температур, они все «проваливаются» на минимальный энергетический уровень».

В результате получается конденсат атомов гелия, в котором все они неотличимы друг от друга: частицы находятся на одном энергетическом уровне, и их скорость равна нулю — а других отличий между атомами нет. Кроме того, все частицы очень тесно связаны между собой — это означает, что изменение состояния одной тут же отражается на состоянии остальных. В итоге нельзя изменить состояние отдельного атома — только всех вместе. То есть бозе-эйнштейновский конденсат ведет себя как гигантская квазичастица, позволяя наблюдать квантовые эффекты на макроуровне.

«Можно получить ведро гелия, охладить его, и он весь перейдет в сверхтекучее состояние, которое будет описываться одной волновой функцией. Все ведро», — говорит Фоминов.

Сверхтекучим охлажденный гелий становится благодаря еще одному квантово-механическому свойству: энергия, которую частица может получить извне или отдать, передается только «порциями», равными зазору между соседними энергетическими уровнями. При низких температурах энергия столкновений между частицами оказывается меньше энергии, необходимой, чтобы «поднять» частицу на следующий энергетический уровень. Другими словами, частицы попросту не могут принять поступающую энергию. Соударения с соседями никак не меняют состояние атомов гелия, и они могут беспрепятственно двигаться, «не отвлекаясь» на взаимодействия с другими частицами.

Сверхпроводимость

Описанное Капицей «обнуление» вязкости гелия при переходе через лямбда-точку очень напоминало еще одно явление, открытое в 1911 году все тем же Хейке Камерлинг-Оннесом. Нидерландский ученый обнаружил, что если охладить ртуть до 4,2 кельвина (минус 268,95 градусов Цельсия), ее электрическое сопротивление упадет почти до нуля (позже выяснилось, что точно до нуля).

Это противоречило существовавшим тогда теориям, которые предсказывали, что при понижении температуры сопротивление будет постепенно уменьшаться, но затем опять возрастет, так как электроны внутри вещества почти перестанут двигаться и проводить ток. Как оказалось позже, в тот же день Камерлинг-Оннес обнаружил и сверхпроводимость гелия, охладив его до лямбда-точки, но не обратил внимания на этот результат.

Первыми непонятный скачок электропроводности при понижении температуры объяснили в 1935 году братья Фриц и Хайнц Лондоны, немецкие физики, перебравшиеся из нацистской Германии в Оксфорд. В 1950 году более общую теорию сверхпроводимости, разрешавшую некоторые противоречия теории Лондонов, вывели Лев Ландау и Виталий Гинзбург.

«Однако обе теории носили феноменологический характер — то есть не объясняли, почему возникла сверхпроводимость, но описывали разные интересные явления, связанные с ней, — рассказывает Фоминов. — Например, Ландау показал, как при фазовом переходе должны изменяться в сверхпроводниках определенные параметры. Исследуя разные аспекты теории Гинзбурга-Ландау, Алексей Абрикосов открыл свои знаменитые вихри, которые принесли ему Нобелевскую премию».

Объяснить сверхпроводимость на микроскопическом уровне — то есть с детальным описанием механизма — удалось только в 1957 году, после того как американский физик Леон Купер описал особый тип взаимодействия электронов, названный позже куперовскими парами.

«Это был недостающий ингредиент, которого не хватало, чтобы объяснить сверхпроводимость, — говорит Фоминов. — Физикам было ясно, что по природе она похожа на сверхтекучесть, но проблема в том, что электроны — не бозоны, а фермионы. Для них не работает статистика Бозе — Эйнштейна и они не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии».

Куперовские пары позволяют разрешить это противоречие. «В вакууме отдельные электроны не могут близко подойти друг к другу из-за электростатического кулоновского отталкивания, — объясняет суть теории Яков Фоминов. — Но в металле электроны летают внутри кристаллической решетки, взаимодействуя еще и с ней. И если два электрона независимо провзаимодействуют с решеткой, они таким образом опосредованно провзаимодействуют между собой».

Очень грубо подобные «контакты» можно описать так: первый электрон за счет электростатического взаимодействия притягивает к себе ион решетки. Второй электрон «чувствует» область, куда из-за пролета первого электрона переместился ион, и тоже тянется туда. Колебания ионов кристаллической решетки удобно описывать как поведение квазичастиц — их называют фононами. И получается, что благодаря взаимодействию двух электронов с фононом они притягиваются друг к другу, формируя пару.

Если спины (квантово-механическая характеристика частиц, которую упрощенно можно представить как собственный момент импульса) этих двух электронов оказываются противоположными, в образовавшейся паре они «обнуляются». Такую пару можно представить как квазичастицу с нулевым спином, и эта квазичастица уже будет подчиняться статистике Бозе — Эйнштейна.

При низких температурах множество подобных пар будут переходить в состояние бозе-эйнштейновского конденсата и вести себя как сверхтекучая жидкость — только течь будут электроны, а значит, в веществах с такими свойствами будет беспрепятственно проходить ток. Микроскопическая теория сверхпроводимости, основанная на существовании куперовских пар, получила название теории Бардина — Купера — Шриффера, или сокращенно БКШ (еще одна Нобелевская премия, за 1972 год).

«Взаимодействие электронов в теории БКШ взято в простейшем идеализированном виде, — поясняет Фоминов. — Но, как оказалось, и в таком виде оно хорошо работает. Тем не менее, в теории был ряд упрощений, которые снял Герасим Элиашберг, сейчас главный научный сотрудник ИТФ имени Ландау. Он разработал более общую и реалистичную теорию сверхпроводимости. И хотя не все проявления сверхпроводимости полностью понятны, сегодня мы можем описывать очень многие вещи».

Кроме ртути из «естественных» веществ сверхпроводимость нашли у алюминия, ниобия, олова, свинца и некоторых других. «Каждое из этих веществ становится сверхпроводящим при определенной критической температуре, — рассказывает Фоминов. — Какой она будет, зависит от строения кристаллической решетки вещества, свойств входящих в него атомов, образующихся фононов и так далее. Например, золото или медь не проявляют сверхпроводящих свойств ни при какой температуре».

Высокотемпературная сверхпроводимость

Долгое время все вещества, у которых обнаруживали сверхпроводящие свойства, теряли электрическое сопротивление при очень низких температурах. Для ртути это 4,2 кельвина (минус 268,95 градуса Цельсия), для алюминия 1,18 кельвина (минус 271,97 градуса Цельсия), для олова — 3,69 кельвина (минус 269,46 градуса Цельсия), для ниобия — 9,2 кельвина (минус 263,95 градуса Цельсия). Столь радикально охладить что-то можно только в лаборатории при помощи сложного и дорогого оборудования. Использовать такие сверхпроводники на практике вне стен научных институтов не получится.

Однако еще до появления микроскопической теории сверхпроводимости исследователи предполагали, что можно создавать вещества, теряющие сопротивление при более высоких температурах — например, при температуре кипения азота (минус 195,8 градуса Цельсия). Жидкий азот — дешевая охлаждающая жидкость, и его повсеместно используют в промышленности. И принципиальных запретов на высокотемпературную сверхпроводимость нет.

В 1986 году швейцарец Карл Мюллер и немец Йоханес Беднорц обнаружили, что керамическое вещество со сложной формулой La2-xBaxCuO4 (оксид лантана-бария-меди) становится сверхпроводником при 35 кельвинах (минус 238,15 градуса Цельсия). Это все еще на 42 градуса ниже температуры кипения азота, и тем не менее исследователям немедленно вручили Нобелевскую премию (1987 год).

Сегодня ученые синтезировали множество веществ, которые становятся сверхпроводниками при относительно приемлемых для промышленного использования температурах. Рекордсменом среди широко применяемых сверхпроводников является оксид иттрия-бария-меди, который переходит в сверхпроводящее состояние уже при 93 кельвинах (минус 180,15 градуса Цельсия). А если использовать большие давления, критическая температура для многих веществ оказывается еще выше. Например, HgBa2Ca2Cu3O8, сжатый до 165 атмосфер, переходит в сверхпроводящее состояние уже при 134 кельвинах (минус 139,15 градуса Цельсия).

Природа высокотемпературной сверхпроводимости до конца пока неясна. «В таких веществах тоже образуется конденсат Бозе — Эйнштейна, но некоторые особенности этих материалов до сих пор не имеют микроскопического объяснения, — рассказывает Фоминов. — Там происходит множество разных сильных взаимодействий, и в итоге может образовываться более хитрая сверхпроводимость, так называемая d-волновая, — в обычных сверхпроводниках она s-волновая. Такая сверхпроводимость анизотропна, то есть она зависит от направления. В практическом смысле важно, что она чувствительна к примесям: даже в небольшом количестве они убивают d-сверхпроводимость».

Перспективы

Сверхтекучесть и особенно сверхпроводимость — одни из самых «горячих» направлений в современной физике. Такая популярность объясняется не только теоретическим интересом: у веществ, обладающих этими свойствами, обнаружилось множество практических применений.

«Например, в Большом адронном коллайдере установлено 1232 сверхпроводящих магнита. Они необходимы для того, чтобы направлять летящие частицы по 27-километровому кольцу ускорителя. В аппаратах магниторезонансной томографии (МРТ) сверхпроводящие магниты создают мощные магнитные поля, которые лежат в основе методики. Пока их в основном охлаждают жидким гелием, но в будущем, вполне вероятно, будут использоваться высокотемпературные сверхпроводники», — рассказывает Фоминов.

Еще одна сфера использования сверхпроводящих веществ — транспорт. Поезда на магнитной подушке, или маглевы (от слов «магнитная левитация»), левитируют над путями и благодаря отсутствию трения развивают скорость 430 километров в час и более. В этой технологии используют обычные магниты, но сегодня инженеры создают железнодорожную линию, где работают сверхпроводники.

«Такой поезд сможет развивать огромную скорость благодаря эффекту Мейснера, еще одному фундаментальному свойству сверхпроводников, — говорит Фоминов. — Когда сверхпроводящее вещество помещают в магнитное поле, на его поверхности очень легко возникают токи индукции, которые, в свою очередь, дают магнитное поле, полностью компенсирующее внешнее. В результате в сверхпроводнике магнитное поле полностью отсутствует. Если мы поместим магнит выше сверхпроводника, например на нижней части поезда, магнитное поле попытается проникнуть в сверхпроводник, но это у него не получится. При этом линии магнитного поля распределятся так, что магнит и сверхпроводник будут отталкиваться — точно так же, как отталкиваются два разнонаправленных магнита. Чтобы получить эффект Мейснера, необходимо охлаждать сверхпроводящую линию, но зато токи в ней текут без сопротивления, а значит, энергия не рассеивается в тепло. В перспективе такие поезда смогут развивать скорость выше 600 километров в час».

Наконец, на эффекте сверхпроводимости основана одна из реализаций кубитов — квантовых битов, элементов хранения информации в квантовом компьютере. Благодаря тому, что сверхпроводники проявляют квантовые свойства на макроуровне, из них можно изготавливать «большие» кубиты. С такими кубитами проще управляться, и они намного пригоднее для массового изготовления.

Ирина Якутенко,
Институт теоретической физики

Источник: nplus1.ru

Сверхтекучесть является особым квантовым состоянием некоторых веществ, например гелия, при очень низких температурах. Это явление заключается в том, что вещество может проходить через микроскопические щели без трения. Используя это свойство гелия, можно, например, проверять качество сварки или спайки, хотя это и слишком дорого.

Впервые сверхтекучесть наблюдалась у гелия-II П. Л. Капицей в 1938 году. Теоретическое объяснение было дано впоследствии Л. Д. Ландау.

Один из способов наблюдать явление сверхтекучести заключается в следующем: если сверхтекучий гелий поместить в стакан, он начнет вытекать наружу через его края в направлении более высокой температуры, даже если уровень жидкости сильно ниже этих краев.

В физическом смысле сверхтекучесть — это течение жидкости фактически без трения. На самом деле не всей жидкости, а какой-то ее части, и это зависит от температуры. Дело в том, что в сверхтекучем состоянии гелий состоит фактически из двух жидкостей: обычной и так называемого конденсата Бозе — Эйнштейна. Последний и обладает свойством сверхтекучести.

Атомы гелия-II являются бозонами. При низких температурах начинают проявляться квантовые свойства бозонов в жидкости. Этот тип частиц стремится пребывать в одном и том же квантовом состоянии. Последнее свойство используется, например, в лазерах, так как фотоны тоже являются бозонами. Поэтому частицы в конденсате стремятся все одновременно двигаться в одном и том же направлении. В этом и заключается обсуждаемое явление.

Почему же не происходит потерь на трение? Что подразумевается под трением? Говоря простым языком, в жидкости рождается какое-то возбуждение — грубо говоря, вортекс, — что и приводит к потере энергии течения на трение.

Критерий сверхтекучести Ландау объясняет, почему вы можете заставить жидкость течь с какой-то скоростью, не рождая в ней возбуждения, то есть не создавая трения. Для этого нужна определенная характеристика зависимости энергии возбуждений от их импульса. И в ней примечательное свойство — наличие так называемой энергетической щели:

Источник: postnauka.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.