Superfluiditate

Heliu superfluid

În fizica modernă superfluiditatea este o stare a materiei caracterizată prin absența completă a vâscozității , absența entropiei și având o conductivitate termică infinită. Superfluidele, dacă sunt plasate pe o cale închisă, pot curge la infinit fără frecare . Superfluiditatea a fost descoperită de Pëtr Leonidovič Kapica , John F. Allen și Don Misener în 1937 . Studiul superfluidelor se numește hidrodinamică cuantică .

Generalitate

Trecerea la superfluid are loc în lichide cuantice sub o anumită temperatură critică. Această schimbare de stare se numește tranziție $\lambda$ ${\ displaystyle \ lambda}$ $\ lambda$ datorită formei graficului căldurii specifice față de temperatură și este marcată cu litera $\Lambda$ ${\ displaystyle \ Lambda}$ $\ Lambda$ .

Un exemplu de superfluid este heliul-4 , ⁴ He, care este cel mai comun izotop al heliului pe Pământ. Heliu-4 are o tranziție de la lichid normal (numit heliu-4 I) la lichid superfluid (numit heliu-4 II) la temperaturi cuprinse între T = 2,17 K la presiunea p = 0 mbar și T = 1,76 K la presiunea p≈30 mbar . Se numește temperatura de tranziție $T_{\lambda }$ ${\ displaystyle T _ {\ lambda}}$ $T _ {\ lambda}$ . Izotopul heliu-3 mai puțin abundent devine un superfluid la o temperatură de 2,6 mK, cu câteva miimi peste zero absolut .

Deși rezultatul acestor superfluide este foarte similar, modul în care are loc transformarea este diferit. Atomii de heliu-4 sunt bosoni , iar superfluiditatea lor poate fi înțeleasă în termeni ai statisticii Bose-Einstein : mai precis, superfluiditatea heliului-4 poate fi considerată o consecință a condensării Bose-Einstein într-un sistem interactiv. Pe de altă parte, atomii de heliu-3 sunt fermioni și transformarea în superfluid, în acest sistem, este descrisă printr-o generalizare a teoriei BCS a supraconducției . În aceasta, cuplajele Cooper sunt stabilite între atomi, mai degrabă decât electroni, iar interacțiunile atractive dintre ele sunt mediate de fluctuații de spin mai degrabă decât de fononi (vezi condensatul fermionului ).

Este, de asemenea, posibil să se explice superconducția și superfluiditatea ca spargere spontană a simetriei .

Caracteristici

Superfluidele au multe proprietăți neobișnuite. Se comportă ca soluții ale componentelor normale, cu toate proprietățile asociate fluidelor normale și ale componentelor superfluide. Acestea din urmă nu au vâscozitate , nu au entropie și au conductivitate termică infinită. Deci, este imposibil să setați un gradient de temperatură într-un superfluid, la fel cum este imposibil să setați o diferență de potențial într-un superconductor . Unul dintre cele mai spectaculoase rezultate ale acestor proprietăți este cunoscut sub numele de efect fântână sau efect termomecanic sau mecanocaloric. Dacă un tub capilar este plasat într-o cuvă de heliu superfluid și acesta este apoi încălzit (chiar și de o lumină), superfluidul va crește de-a lungul tubului și va ieși la celălalt capăt, ca urmare a relației Clausius-Clapeyron . Un alt efect neobișnuit este acela că heliul superfluid poate forma un film, cu un singur atom înălțime, pe o față a oricărui recipient în care se află. Din 1995, pe lângă heliu lichid, găsim mulți atomi alcalini care au o tranziție superfluidă la temperaturi de ordinul a zece nanoKelvin.

Explicație calitativă a superfluidității

Deoarece heliu-3 sau ³ He, cel mai puțin obișnuit izotop de heliu de pe pământ, are o tranziție de la fluid normal la superfluid la temperaturi mult mai scăzute și întrucât diferența dintre cei doi izotopi de heliu, cu masa atomică deoparte, constă în faptul că prima este bosonică (descriptibilă cu statistica Bose-Einstein ) în timp ce a doua este fermionică (descriptibilă cu statistica Fermi-Dirac ), se poate concluziona calitativ că superfluiditatea este o manifestare a condensării Bose Einstein . Heliul-3 suferă o tranziție superfluidă la temperaturi mult mai scăzute (de ordinul mK), iar mecanismul care duce la superfluiditatea sa este similar cu cel care duce la superconductivitate . De fapt, perechile de fermioni se leagă și formează un condensat de bosoni .

Modelul cu două fluide

Unele comportamente „particulare” ale heliului superfluid pot fi explicate cu modelul cu două fluide al lui Tiska. Tiska postulează că heliul în faza superfluidă este compus din două componente: componenta normală și cea superfluidă. Tiska face ipoteza că componenta normală are densitate de masă $\rho _{n}$ ${\ displaystyle \ rho _ {n}}$ $\ rho _ {n}$ și viteză $v_{n}$ ${\ displaystyle v_ {n}}$ $v_ {n}$ în timp ce cel superfluid $\rho _{s}$ ${\ displaystyle \ rho _ {s}}$ $\ rho _ {s}$ Și $v_{s}$ ${\ displaystyle v_ {s}}$ $v_ {s}$ respectiv. Se presupune că densitatea de masă și viteza lichidului sunt atunci

\rho =\rho _{n}+\rho _{s}

{\ displaystyle \ rho = \ rho _ {n} + \ rho _ {s}}

\ rho = \ rho _ {n} + \ rho _ {s}

\rho v=\rho _{n}v_{n}+\rho _{s}v_{s}

{\ displaystyle \ rho v = \ rho _ {n} v_ {n} + \ rho _ {s} v_ {s}}

\ rho v = \ rho _ {n} v_ {n} + \ rho _ {s} v_ {s}

Se consideră apoi că lichidul normal se comportă ca un lichid clasic, în timp ce lichidul superfluid are entropie zero și curge fără rezistență chiar și prin mici fisuri. Acest model, pentru care există o explicație riguroasă și microscopică în mecanica statistică , explică calitativ proprietățile ciudate ale lichidului He4 la temperaturi scăzute (de exemplu, efectul mecanocaloric sau al doilea sunet ).

Este posibil să se măsoare experimental ( experimentul lui Andronikashvili ) densitatea de masă a lichidului normal (și, în consecință, a lichidului superfluid) în funcție de temperatură într-un model cu două fluide, obținându-se

{\frac {\rho _{n}}{\rho }}=\left\{{\begin{matrix}{\frac {T}{T_{\lambda }}}^{5.6}&T<T_{\lambda }\\1&T>T_{\lambda }\end{matrix}}\right.

{\ displaystyle {\ frac {\ rho _ {n}} {\ rho}} = \ left \ {{\ begin {matrix} {\ frac {T} {T _ {\ lambda}}} ^ {5.6} & T <T _ {\ lambda} \\ 1 & T> T _ {\ lambda} \ end {matrix}} \ right.}

{\ displaystyle {\ frac {\ rho _ {n}} {\ rho}} = \ left \ {{\ begin {matrix} {\ frac {T} {T _ {\ lambda}}} ^ {5.6} & T <T _ {\ lambda} \\ 1 & T> T _ {\ lambda} \ end {matrix}} \ right.}

tendința densității masei normale într-un superfluid în funcție de temperatură

Din graficul funcției se poate observa că trecerea de la fluid la superfluid este graduală e $\rho _{n}=0$ ${\ displaystyle \ rho _ {n} = 0}$ $\ rho _ {n} = 0$ numai când T = 0, chiar dacă se apropie de zero foarte repede. În imagine, densitatea la temperatura de tranziție este considerată egală cu 1 și temperatura de tranziție cu 2.

Aplicații

O aplicație importantă a superfluidelor este în răcitoarele de diluare .

Recent, în domeniul chimiei , superfluidul cu heliu-4 a fost utilizat cu succes în tehnicile de spectroscopie ca solvent cuantic . Numită Nano Droplet Helium Spectroscopy ( SHeDS în engleză : Superfluid Helium Droplet Spectroscopy), este de un interes enorm în studiile moleculelor de gaz, întrucât o singură moleculă solvatată într-un mediu superfluid se bucură de libertatea de rotație: în acest fel, molecula se comportă ca aceasta ar fi în gaz de fază.

Descoperiri recente

Fizicienii MIT au creat o nouă formă de materie în 2016 la Cambridge : un gaz superfluid de atomi. Pentru acest experiment, ei au folosit izotopul litiu-6, răcindu-l până la 50 miliarde miimi de kelvin peste zero absolut. ^[1]

Notă

^ Fizicienii MIT creează o nouă formă de materie , la news.mit.edu . Adus pe 21 octombrie 2016 .

Bibliografie

( EN ) Hagen Kleinert , Gauge Fields in Condensed Matter , Vol. I, "SUPERFLOW AND VORTEX LINES", pp. 1–742, World Scientific (Singapore, 1989) ; Paperback ISBN 9971-5-0210-0 (disponibil online aici )
( EN ) David Brink, Ricardo A. Broglia , „Nuclear Superfluidity: pairing in finite systems” Cambridge University Press (Cambridge, 2005)
( EN ) Isaac M. Khalatnikov, „Introducere în teoria superfluidității” ; Perseus Books Group, ISBN 0-7382-0300-9 (0-7382-0300-9)

Elemente conexe

Alte proiecte

Wikționarul conține dicționarul lema « superfluiditate »
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre superfluiditate

linkuri externe

Controlul autorității	NDL ( EN , JA ) 00573671

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica

[1] Fizicienii MIT creează o nouă formă de materie , la news.mit.edu . Adus pe 21 octombrie 2016 .

[1]

V · D · M Stări ale materiei
Principal	Solid · Lichid · Aeriform · Plasmă · Condensat Bose-Einstein
Schimbări de stare	Fuziune · Solidificare · Cristalizare · Punct de topire · Fierbere · Evaporare · Condensare · Sublimare · îngheț
Amestecuri	Suspensie · Dispersie · Soluție · Ligă · Coloid · Aerosol · Ceață · Spray lichid · Fum · Particule · Pulbere · Spumă · Emulsie · Sol · Aerogel · Gel · spumă solidă · Amestec gazos
Alții	Gaz · abur · Fluid · Ideal gazelor · gazelor reale · fluidul supercritic · superfluid · supersolid · Supervetro · Condensat fermionice · degenerată Matter · ciudat Materia · plasmă quarc-gluon · cristale lichide · Ideal de lichid · Rydberg materie · polaron Rydberg · quark Matter · spin cuantic Lichid · Eccitonio · Exciton legat de foton · lanț de fuziune fost
Concepte	Punct triplu · Punct critic · Ecuația de stare · Curba de răcire · Faza · Solidus · Liquidus

V · D · M Tehnologii emergente
Agricultură	Agricultură de precizie · Carne cultivată · Skyfarming
Electronică	Memristore · Nas electronic · Spintronics
Putere	Energie de fuziune · Energie regenerabilă ( biocombustibil · centrală solară orbitală · Concentrație solară · Economie de hidrogen · Fotosinteză artificială · Generator eolian de zmeu ) · Energie de stocare ( baterie litiu-fier-fosfat · Depozitare rotativă · Depozitare termică · Supercondensator ) · Reactor nuclear cu sare topită · Rețea inteligentă · Transfer wireless de energie
Informatie si comunicare	Atomtronics · Computer optică · Quantum calculator · Criptografia cuantică · disc optic patra generație ( memorie holografic ) · GPGPU · Inteligenta Artificiala ( de recunoaștere a vocii · traducere automată · semantic web ) · Memorie ( FeRAM · memorie schimbare de fază · Hipodromul memorie · RRAM ) · Radio -identificarea frecvenței
Neuroștiințe	Electroencefalografie · Transfer de minte ( Neuroinformatică ) · NEUROPROTEZĂ ( ochi bionici ) · Psihotronică ( Teoria abuzului electronic )
Producție	Asamblator molecular · Claytronic · Ceață utilă · Imprimare 3D
Robotica	Automatizare Acasă · exoschelet · Nanroboți · roiuri Robotică
Ecrane	Autostereoscopie
Stiinta Materialelor	Biomaterial · grafen · Materie programabilă · Metamaterial · Nanotehnologie ( Nanomateriale · Nanotehnologie moleculară · Nanotub de carbon ) · Punct cuantic · Superfluiditate
Tehnologie biomedicală	Animatie suspendata · Biologie de sinteza ( sinteza genomica ) · Chirurgie robotica · Crionica ( crioconservare ) · Genetica personalizata · Inginerie genetica ( terapie genica ) · medicina regenerativa ( ingineria tesuturilor ) · Uter artificial
Transport	Transport supersonic · Masina autonomă · volan auto · feroviar levitație aerodinamic · pack Jet · la detonare val Motor · Motor Plasma ( specific variabil impuls de rachete magnetoplasma ) · Personal Rapid Transit · motor ionic · propulsie puls nuclear · fuziune nucleară Racheta · scramjet · navetei spatiale · tren Maglev · V2V · vactrain · Tent · interstelar de călătorie
Alte	Antigravity · Arcology · demagnetizare adiabatică · scut deflector