Кашурников Сверхтекучест и бозе-конденсация 2008

конструкции) для адиабатического сжатия называется ячейкой Померанчука (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Способ Померанчука для охлаждения тающего . Твердая фаза при низких температурах имеет бóльшую энтропию, чем жидкая. При сжатии смеси жидкость – твердое тело от жидкой фазы отводится тепло по мере образования кристаллов твердой фазы. Для полного превращения жидкойf фазы в твердую необходимо изменение объема приблизительно на . В отличие от замерзающей воды, твердая фаза образуется в самой горячей части контейнера

Таким образом, Померанчук предложил способ охлаждения тающего . Если смесь жидкого и твердого сжимается без подвода тепла, она охлаждается по мере того, как жидкость превращается в твердое тело.

была в непредсказуемости появления твердого гелия, он появлялся в различных местах установки и создавал пробки, ломал сильфоны, приводил к трению и разогреву системы. У

Американские исследователи успели первыми [6]. В группе из трех ныне нобелевских лауреатов Ли и Ричардсон были старшими

61

научными сотрудниками, а Дэвид Ошеров – студентомдипломником. Именно последний и создал установку для исследования фазовых переходов в твердом под давлением на основе ячейки Померанчука.

Установка Ошерова показана на рис. 1.19. Устройство установки полностью исключало проблемы твердого и позволяло получать информацию об изменении объема, температуры и ЯМРотклике.

В установке использованы два бериллиево-медных сильфона, связанные поршнем, для передачи сжимающего усилия образцу

При медленном возрастании или убывании давления также медленно возрастала и убывала температура смеси, так что можно было однозначно связать эти параметры. Благодаря такой конструкции компрессионной ячейки впервые удалось опуститься до температур около милликельвина. Ошеров и обнаружил первым особенности на зависимости давления от времени, что

62

Рис. 1.19. Ячейка Померанчука из [30], использованная в решающих

прессом

63

При этих температурах резко меняется скорость охлаждения, и это видно как излом (или скачок) на кривой адиабатического сжатия. При этом эффект повторялся как при охлаждении (сжатии), так и при нагреве (расширении) в тех же точках (рис. 1.20), т.е. был обратим. Несомненно, наблюдались два фазовых обратимых перехода. Первая статья в Physical Rewiev Letters [31] была посвящена фазовым переходам в твердом гелии, т.е. исследователи сначала не поняли, что имеют дело с жидкой фазой. Однако после измерения намагничивания с помощью Ñ'9)катушки ЯМР выяснилось, что, во-первых, аномалии в зависимости

сопровождаются в этих же точках аномалиями намагниченности, а во-вторых, эти аномалии соответствуют не твердой фазе, а жидкости. Причем для отделения вкладов жидкой и твердой фаз использовался пространственный профиль магнитного поля в виде линейного градиента вдоль образца. Любопытно, что это один из первых случаев применения магнитной томографии, пусть и в лабораторных условиях, сейчас активно использующейся в медицине.

В более сильных полях (" F// æ) В-фаза подавляется в пользу A- фазы, и поликритическая точка исчезает. В более высокотемпературной точке А появляется отчетливый большой вклад восприимчивости жидкости (рис. 1.21): в точке перехода появляется добавочная линия, отсоединившаяся от основного пика, соответствующего в основном твердой фазе, и по мере охлаждения образца постоянно сдвигается в область больших частот. В низкотемпературной точке Б восприимчивость жидкости резко падет примерно в два раза (рис. 1.22). Кроме того, в точке Б линия, появившаяся в А, исчезает.

64

65

Рис. 1.21. Последовательность профилей ЯМР из [30], измеренных в ячейке, показанной на рис. 1.19, после того, как был убран градиент поля. Сигнал от жидкости в А-фазе сдвигается все дальше от сигнала из кристалла, соответствующего ларморовой частоте, по мере охлаждения образца. Сдвинутая линия внезапно исчезает в точке Б

Рис. 1.22. Последовательность профилей ЯМР из [30], измеренных при градиенте поля в ячейке, показанной на рис. 1.19, при охлаждении образца вдоль кривой плавления

Такие аномалии однозначно говорили о фазовых переходах в ферми-жидкости, которые могли произойти только при спаривании исходных ферми-частиц в некие конгломераты (пары), изменении статистики и появлении сверхтекучести.

66

1.10.Теоретические представления. p-спаривание. Фазы Андерсона – Морела и Бальяна – Вертхамера. Теплоемкость

электронов. В обычных сверхпроводниках куперовскиеá = / пары имеют нулевой орбитальный магнитный момент ( ). Сильное короткодействующее отталкивание частиц в жидком запрещает этот тип спаривания, однако возможно спаривание с более высоким угловым моментом.

В разное время был предложен целый ряд моделей спаривания с отличным от нуля орбитальным угловым моментом. Предлагались как модели с - ( ), так и с - ( ) типом спаривания. Среди

выдвинутые Бальяном и Вертхамером (1963, [34]), а также модель Андерсона и Морела были позднее отождествлены с реальными сверхтекучими фазами жидкого .

Важная черта спаривания с нечетным á состоит в том, что полный спин пары равен единице (а не нулю, как при четном ), поэтому

ненулевым спином и нулевым орбитальным моментом. Это

Сверхтекучая B-фаза, отождествляемая с моделью Бальяна и Вертхамера, соответствует параметру порядка со всеми тремя

рис. 1.20, б.

Как же согласуются наблюдаемые аномалии магнитной восприимчивости с такой интерпретацией сверхтекучих фаз? В

в точке В на экспериментальной кривой. Так же легко объяснить наблюдаемое подавление этой фазы с увеличением поля и

Сдвиг частоты ЯМР-линии в фазе А блестяще объяснил теоретик Энтони Легетт [35], будущий нобелевский лауреат. Он показал, что это возможно, если куперовские пары в условиях -спаривания имеют коррелированное состояние, и происходит когерентное сложение дипольных моментов пар. В результате появляется

68

эффективное внутреннее магнитное поле, сдвигающее по частоте ЯМР-отклик.

Необычные типы спаривания, реализуемые в жидком , и внутренние степени свободы пары отражаются на физических свойствах этой сверхтекучей ферми-жидкости. Орбитальная анизотропия A-фазы приводит к экспериментально наблюдаемым анизотропным свойствам сверхпотока. Энергетическая щель (запрещенная область энергий, образующаяся из-за спаривания) в-A также анизотропна, в то время как в -B она изотропна.

Измерения теплоемкости при переходах в новые фазы дали кривые, характерные для обычных сверхпроводников, со скачком в точке перехода (рис. 1.23). Выше A-перехода имела место типичная линейная зависимость от температуры, характерная для нормальной ферми-жидкости.

Рис. 1.23. Ранние измерения теплоемкости жидкого вблизи сверхтекучего перехода. Такое поведение характерно для перехода БКШ со спариванием. Рисунок взят из [30]

69

При исследовании сверхтекучести кроме аномалий, связанных с анизотропией параметра порядка, должны наблюдаться свойства, похожие на поведение сверхтекучего . И действительно, незатухающие колебания, доказывающие сверхтекучесть в A-фазе, наблюдались Ануфриевым в 1973 г. [36], появление четвертого звука, имеющего место и в , наблюдалось Яновым и Реппи в 1974 г. [37], второй звук был обнаружен в A-фазе Корручини и Ошеровым в 1980 г. [38]. Проводились эксперименты и во вращающихся криостатах , однозначно доказавшие наличие сверхтекучести.

Сверхтекучий – сложная система, где внутренние степени свободы являются причиной целого ряда явлений, не наблюдаемых в обычных сверхпроводниках с изотропным

анизотропным свойствам, так и к аномальному отклику на внешнее магнитное поле.

Рассмотрим современные представления об анизотропных параметрах порядка в двух основных сверхтекучих фазах .

Как состояние Андерсона – Морела, так и состояние Бальяна –

друга, как это показано на рис. 1.24.

70