11.4. Температурные волны

Известно, что звуковые волны, это продольные волны, имеющие сжатия и разрежения. Незатухающая температурная волна в них существовать не может, т.к. она будет обязательно затухать, благодаря конечной теплопроводности на расстояниях порядка длины волны.

В квантовой же жидкости может распространяться незатухающая волна, в которой колеблется определенное число возбуждений. Поскольку вся тепловая энергия заключена в возбуждениях, то такие колебания плотности возбуждений будут восприниматься как колебания температуры и естественно должны регистрироваться термометром.

Постановка опыта показана на рис. 11.11, в локальной области некоторого объема гелия II устанавливали нагреватель 1 и термометр 2. Измеряли периодические изменения температуры. Термометром 3 измеряли температуру на

1

2

3

L

Рис. 11. 11. Схема опыта для обнаружения температурных волн.

1 – нагреватель; 2, 3 – термометр

некотором расстояния L и обнаружили, что существуют периодические изменения температуры без рассеяния тепла, т.е. существуют незатухающие температурные волны, которые называют вторым звуком. Скорость обычного звука незначительно зависит от температуры, а скорость второго звука изменяется от нуля в  - точке до нескольких десятков метров в секунду с понижением температуры.

11.5. Квантовая жидкость 3Не

Как мы говорили ранее, что добываемый в природе гелий состоит из атомов двух изотопов с массами 4 и 3. Количество изотопа 3 составляет примерно 1/10⁴ часть от изотопа 4. Эти изотопы можно разделить и ожижить.

Разделение изотопов ⁴Не и ³Не проще всего производится методом, который основан на свойствах квантовой жидкости. Пусть имеется раствор небольшого количества атомов ³Не в жидком ⁴Не. Атомы ³Не, поскольку их мало, практически не будут взаимодействовать друг с другом. Однако, сталкиваясь с элементарными возбуждениями (фононами и ротонами), они будут рассеиваться, и увлекаться нормальным движением возбуждений, т.е. атомы ³Не будут входить в нормальную часть жидкости. Если через такой раствор пропустить поток тепла, то примесные атомы ³Не вместе с возбуждениями начнут двигаться к холодному концу сосуда и в конце концов можно будет собрать все атомы

³Не на холодном конце. Такой необычный метод разделения изотопов связан с квантовой природой сверхтекучего гелия.

Сверхтекучий гелий II состоит в основном из атомов ⁴Не. Посмотрим, какими свойствами будет обладать жидкость, состоящая из атомов ³Не. Отличия ³Не и ⁴Не состоят лишь в строении ядра атома. В ⁴Не ядро содержит 2 протона и 2 нейтрона, а в ³Не - два протона и один нейтрон. Электронные оболочки их имеют одинаковое строение – 2 электрона. Итак, отличие указанных атомов состоит в том, что ⁴Не содержит четное число элементарных частиц (6), а ³Не – нечетное число (5). Только в системах, состоящих из четных атомов, возникает спектр элементарных возбуждений, допускающий сверхтекучесть. Следовательно, жидкость, состоящая из атомов ³Не , не должна было бы обладать свойством сверхтекучести в этих условиях.

Однако вопрос о сверхтекучести ³Не был пересмотрен после создания теории сверхпроводимости. После ее появления Ландау высказал предположение о том, что жидкий ³Не, подобно своему тяжелому изотопу, является сверхтекучим, но при очень низких температурах. Дальнейшие теоретические исследования, проведенные Л.П. Питаевским, выявили возможность перехода жидкого ³Не в сверхтекучее состояние вблизи абсолютного нуля.

По аналогии со сверхпроводимостью, где само явление связано с возникновением сил межэлектронного притяжения и приводит к образованию энергетической щели в спектре одночастичных возбуждений. В жидком ³Не также существуют дальнодействующие силы притяжения. Это известные силы Ван-дер-Ваальса, т.е. силы электрической природы, действующие между нейтральными поляризованными частицами. Эти диполи, находясь на большом расстоянии (r) , притягиваются с силой F  10^-2. Это слабое притяжение при очень низких температурах атомов жидкого ³Не приводит к образованию пар, подобных парам Купера. В энергетическом спектре возникает щель, что и приводит к возникновению сверхтекучести, т.е. куперовское спаривание делает ее аналогом Не II поскольку связанная пара электронов рассматривается как целое, обладает целочисленным спином.

В 1972 г. в ряде лабораторий был обнаружен переход жидкого ³Не в новое состояние. Переход наблюдался при температуре 0,00265 К и давлении 30 атм. Были обнаружены две фазы сверхтекучего ³Не, (см. рис.11.3,б). При этой температуре происходит переход в фазу А, а дальнейшее понижение температуры вызывает переход в фазу В. Фаза А по-видимому анизотропна, т.е. величина энергетической щели зависит от направления. Другая же фаза, фаза В, изотропна.