36.Надтекучість і надпровідність

Надтекучість - здатність речовини в особливому стані (квантової рідини), що виникає при зниженні температури до абсолютного нуля (термодинамічна фаза), протікати через вузькі щілини і капіляри без тертя. До недавнього часу надтекучість була відома тільки у рідкого гелію, проте в останні роки надтекучість була виявлена ​​і в інших системах: в розріджених атомних бозе-конденсатах, твердому гелії. Надтекучість пояснюється наступним чином. Оскільки атоми гелію є бозонами, квантова механіка допускає знаходження в одному стані довільного числа частинок. Поблизу абсолютного нуля температур всі атоми гелію опиняються в основному енергетичному стані. Оскільки енергія станів дискретна, атом може одержати не будь-яку енергію, а тільки таку, яка дорівнює енергетичного зазору між сусідніми рівнями енергії. Але при низькій температурі енергія зіткнень може виявитися менше цієї величини, в результаті чого розсіювання енергії попросту не відбуватиметься. Рідина буде текти без тертя.

Аномальна текучість Гелію-II

Надтекучість рідкого гелію-II нижче лямбда-точки (T = 2,172 К) була експериментально відкрита в 1938 році П. Л. Капіцею (Нобелівська премія з фізики за 1978 рік). Вже до цього було відомо, що при проходженні цієї точки рідкий гелій зазнає фазовий перехід, переходячи з повністю «нормального» стану (званого гелій-I) в новий стан так званого гелію-II, проте тільки Капіца показав, що гелій-II тече взагалі (в межах експериментальних похибок) без тертя. Теорія явища надтекучого гелію-II була розроблена Л. Д. Ландау (Нобелівська премія з фізики за 1962 рік).

Надпровідність - властивість деяких матеріалів володіти строго нульовим електричним опором при досягненні ними температури нижче певного значення (критична температура). Відомі кілька сотень сполук, чистих елементів, сплавів і керамік, що переходять в надпровідний стан.Основою для відкриття явища надпровідності став розвиток технологій охолодження матеріалів до наднизьких температур. У 1877 році французький інженер Луї Кайете і швейцарський фізик Рауль Пікте (англ.) незалежно один від одного охолодили кисень до рідкого стану. У 1883 році Зигмунт Врублевський і Кароль Ольшевскі (англ.) виконали скраплення азоту. У 1898 році Джеймсу дьюар вдалося отримати і рідкий водень. У 1893 році проблемою наднизьких температур став займатися голландський фізик Хейке Камерлінг-Оннес. Йому вдалося створити найкращу в світі криогенну лабораторію, в якій 10 липня 1908 ним був отриманий рідкий гелій. Пізніше йому вдалося довести його температуру до 1 Кельвіна. Камерлінг-Оннес використовував рідкий гелій для вивчення властивостей металів, зокрема, для вимірювання залежності їх електричного опору від температури. Згідно існуючим тоді класичним теоріям , опір повинен був плавно падати зі зменшенням температури, однак існувала також думка, що при занадто низьких температурах електрони практично зупиняться і зовсім перестануть проводити струм. Експерименти, проведені Камерлінг-Оннес зі своїми асистентами Корнеліс Дорсманом і Гілес Хольсті, спочатку підтверджували висновок про плавний спад опору. Однак 8 квітня 1911 він несподівано виявив, що при 3 Кельвінах (близько -270 ° C) електричний опір ртуті практично дорівнює нулю. Наступний експеримент, проведений 11 травня, показав, що різкий стрибок опору до нуля відбувається при температурі близько 4,2 Цей ефект був зовсім несподіваним і не міг бути пояснений існуючими тоді теоріями.