КВАНТОВАЯ ЖИДКОСТЬ

КВАНТОВАЯ ЖИДКОСТЬ жидкость, свойства к-рой определяются квантовыми
эффектами. Примером К. ж. является жидкий гелий при темп-ре, близкой к
абс. нулю. Квантовые эффекты начинают проявляться в жидкости при достаточно
низких темп-pax, 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 темп-ре 3-2 К.

Согласно представлениям классич. механики, с понижением темп-ры кинетич.
энергия частиц любого тела должна уменьшаться. В системе взаимодействующих
частиц при достаточно низкой темп-ре последние будут совершать малые колебания
ок. положений, соответствующих минимуму потенциальной энергии всего тела.
При абс. нуле темп-ры колебания должны прекратиться, а частицы занять строго
определённые положения, т. е. любое тело должно превратиться в кристалл.
Поэтому самый факт существования жидкостей вблизи абс. нуля темп-ры 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 абс. нуле темп-ры частицы не могут занимать строго определённых
положений, а их кинетич. энергия не обращается в нуль, остаются т. н. нулевые
колебания. Амплитуда этих колебаний тем больше, чем слабее силы взаимодействия
между частицами и меньше их масса. Если амплитуда нулевых колебаний сравнима
со ср. расстоянием между частицами тела, то такое тело может остаться жидким
вплоть до абс. нуля темп-ры.

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 абс. нуля и позволяют тем самым
изучить специфику К. ж. Свойствами К. ж. обладают также электроны в металлах.

К. ж. делятся на бозе-жидкости и фер-ми-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 к-рого обладают равным нулю спином (внутренним моментом количества
движения). Атомы более редкого изотопа ³He и электроны в металле
имеют полуцелый спин ('/2), они образуют ферми-жидкости.

Жидкий ⁴He был первой разносторонне исследованной К. ж. Теоретич.
представления, развитые для объяснения осн. 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 специфич. квантовыми свойствами. Само наличие точки перехода связывается
с появлением т. н. 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 (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 к-ром 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(),
зависящей
от импульса, и спином. Эти элементарные возбуждения относятся ко всей жидкости
в целом, а не к отд. частицам и наз. в силу их свойств (наличия импульса,
спина и т. п.)
квазичастицами. Примером квазичастиц являются звуковые
возбуждения в Не II - фононы, с энергией
= hcр, где h - Планка постоянная, делённая на 2,
с
- скорость звука. Пока число квазичастиц мало, что соответствует низким
темп-рам, их взаимодействие незначительно и можно считать, что они образуют
идеальный газ квазичастиц. Рассмотрение свойств К. ж. на основе этих представлений
оказывается, в известном смысле, более простым, чем свойств обычных жидкостей
при высоких темп-pax, когда число возбуждений велико и их свойства не аналогичны
свойствам идеального газа.

Если К. ж. течёт с нек-рой скоростьючерез
узкую трубку или щель, то её торможение за счёт трения состоит в образовании
квазичастиц с импульсом, направленным противоположно скорости течения.
В результате торможения энергия К. ж. должна убывать, но не плавно, а определёнными
порциями. Для образования квазичастиц с требуемой энергией скорость потока
должна быть не меньше, чем Vc = min [()/];
эту скорость называют критической. К. ж., у к-рых v
0,
будут сверхтекучими, т. к. при скоростях, меньших Vновые
квазичастицы не образуются, и, следовательно, жидкость не тормозится. Предсказанный
теорией Ландау и экспериментально подтверждённый энергетич. спектр E(P)
квазичастиц
в Не II удовлетворяет этому требованию.

Невозможность образования при течении с
< vновых квазичастиц в Не II приводит к своеобразной
д в у х ж и д-костной гидродинамике. Совокупность имеющихся в Не II квазичастиц
рассеивается и тормозится стенками сосуда, она составляет как бы нормальную
вязкую часть жидкости, в то время как остальная жидкость является сверхтекучей.
Для сверхтекучей жидкости характерно появление в нек-рых условиях (напр.,
при вращении сосуда) вихрей с квантованной циркуляцией скорости
сверхтекучей компоненты. В Не II возможно распространение двух типов звука,
из к-рых 1-й звук соответствует обычным адиабатич. колебаниям плотности,
в то время как 2-й звук соответствует колебаниям плотности квазичастиц
и, следовательно, темп-ры (см. Второй звук).

Наличие газа квазичастиц одинаково характерно как для бозе-, так и для
ферми-жидкости. В ферми-жидкости часть квазичастиц имеет полуцелый спин
и подчиняется статистике Ферми - Дирака, это т. н. одночастичные возбуждения.
Наряду с ними в ферми-жидкости существуют квазичастицы с целочисленным
спином, подчиняющиеся статистике Бозе - Эйнштейна, из них наиболее интересен
"нуль-звук", предсказанный теоретически и открытый в жидком ³He
(см. Нулевой звук). Ферми-жидкости делятся на нормальные и сверхтекучие
в зависимости от свойств спектра квазичастиц .

К нормальным ферми-жидкостям относятся жидкий ³He и электроны
в несверхпроводящих металлах, в к-рых энергия одночастичных возбуждений
может быть сколь угодно малой при конечном значении импульса, что приводит
к vО. Теория нормальных ферми-жидкостей была развита
Л. Д. Ландау (1956-58).

Единственной, но очень важной сверхтекучей ферми-жидкостью являются
электроны в сверхпроводящих металлах (см. Сверхпроводимость). Теория
сверхтекучей ферми-жидкости была развита Дж. Бароином, Л. Купером
и
Дж. Шриффером (1957) и H. H. Боголюбовым (1957). Между электронами
в сверхпроводниках, согласно этой теории, преобладает притяжение, что приводит
к образованию из электронов с противоположными, но равными поабс. величине
импульсами связанных пар с суммарным моментом, равным нулю (см. Купера
эффект). Для возникновения любого одночастичного возбуждения - разрыва
связанной пары - необходимо затратить конечную энергию. Это приводит, в
отличие от нормальных ферми-жидко-стей, к v0, т.
е. к сверхтекучести электронной жидкости (сверхпроводимости металла). Существует
глубокая аналогия между сверхпроводимостью и сверхтекучестью. Как и в ⁴He,
в сверхпро-водящих металлах имеется фазовый переход II рода, связанный
с появлением бозе-конденсата пар электронов. При определённых условиях
в магнитном поле в т. н. сверхпроводниках II рода появляются вихри с квантованным
магнитным потоком, являющиеся аналогом вихрей в Не II.

Кроме перечисленных выше К. ж., к ним относятся смеси ³He
и ⁴He, к-рые при постепенном изменении соотношения компонентов
образуют непрерывный переход от ферми- к бозе-жидкости. Согласно теоретич.
представлениям, при чрезвычайно высоких давлениях и достаточно низких темп-pax
все вещества должны переходить в состояние К. ж., что возможно, напр.,
в нек-рых звёздах.

Лит.: Ландау Л. Д. и Л и ф-шиц E. M., Статистическая физика,

2 изд., M., 1964; Абрикосов А. А., Халатников И. M., Теория ферми-жидкости,
"Успехи физических наук", 1958, т. 66, в. 2, с. 177; Физика низких температур,
пер. с англ., M., 1959; Пай не Д., Нозьер Ф., Теория квантовых жидкостей,
пер. с англ., M., 1967.

С. В. Иорданский.