Квантовая жидкость

жидкость, свойства которой определяются квантовыми эффектами. Примером К. Ж. Является жидкий гелий при температуре, близкой к абсолютному нулю. Квантовые эффекты начинают проявляться в жидкости при достаточно низких температурах, когда длина Волны де Бройля для частиц жидкости, вычисленная по энергии их теплового движения, становится сравнимой с расстоянием между ними. Для жидкого гелия это условие выполняется при температуре 3—2 К. Согласно представлениям классической механики, с понижением температуры кинетическая энергия частиц любого тела должна уменьшаться. В системе взаимодействующих частиц при достаточно низкой температуре последние будут совершать малые колебания около положений, соответствующих минимуму потенциальной энергии всего тела.

При абсолютном нуле температуры колебания должны прекратиться, а частицы занять строго определённые положения, т. Е. Любое тело должно превратиться в кристалл. Поэтому самый факт существования жидкостей вблизи абсолютного нуля температуры связан с квантовыми эффектами. В квантовой механике действует принцип. Чем точнее фиксировано положение частицы, тем больше оказывается разброс значений её скорости (см. Неопределённостей соотношение). Следовательно, даже при абсолютном нуле температуры частицы не могут занимать строго определённых положений, а их кинетическая энергия не обращается в нуль, остаются так называемые нулевые колебания. Амплитуда этих колебаний тем больше, чем слабее силы взаимодействия между частицами и меньше их масса.

Если амплитуда нулевых колебаний сравнима со средним расстоянием между частицами тела, то такое тело может остаться жидким вплоть до абсолютного нуля температуры. Из всех веществ при атмосферном давлении только два изотопа гелия (4He и 3He) имеют достаточно малую массу и настолько слабое взаимодействие между атомами, что остаются жидкими вблизи абсолютного нуля и позволяют тем самым изучить специфику К. Ж. Свойствами К. Ж. Обладают также электроны в металлах. К. Ж. Делятся на бозе-жидкости и ферми-жидкости, согласно различию в свойствах частиц этих жидкостей и в соответствии с применяемыми для их описания статистиками Бозе — Эйнштейна и Ферми — Дирака (см. Статистическая физика). Бозе-жидкость известна только одна — жидкий 4He, атомы которого обладают равным нулю Спином (внутренним моментом количества движения).

Атомы более редкого изотопа 3He и электроны в металле имеют полуцелый спин (1/2), они образуют ферми-жидкости. Жидкий 4He был первой разносторонне исследованной К. Ж. Теоретические представления, развитые для объяснения основных эффектов в жидком гелии, легли в основу общей теории К. Ж. Гелий 4He при 2,171 К и давлении насыщенного пара испытывает Фазовый переход II рода в новое состояние Не II со специфическими квантовыми свойствами. Само наличие точки перехода связывается с появлением так называемого бозе-конденсата (см. Бозе - Эйнштейна конденсация), т. Е. Конечной доли атомов в состоянии с импульсом, строго равным нулю. Это новое состояние характеризуется Сверхтекучестью, т. Е. Протеканием Не II без всякого трения через узкие капилляры и щели.

Сверхтекучесть была открыта П. Л. Капицей (См. Капица) (1938) и объяснена Л. Д. Ландау (1941). Согласно квантовой механике, любая система взаимодействующих частиц может находиться только в определённых квантовых состояниях, характерных для всей системы в целом. При этом энергия всей системы может меняться только определёнными порциями — квантами. Подобно атому, в котором энергия меняется путём испускания или поглощения светового кванта, в К. Ж. Изменение энергии происходит путём испускания или поглощения элементарных возбуждений, характеризующихся определённым импульсом р, энергией ε(р), зависящей от импульса, и спином. Эти элементарные возбуждения относятся ко всей жидкости в целом, а не к отдельным частицам и называется в силу их свойств (наличия импульса, спина и т.д.) квазичастицами (См.

Квазичастицы). Примером квазичастиц являются звуковые возбуждения в Не II — Фононы, с энергией .