Сверхтекучесть

С явлением сверхпроводимости тесно связано другое, не менее интересное явление, наблюдаемое Х. Камерлинг-Оннесом в 1922г. во время экспериментов по сжижению гелия, который вёл себя совершенно удивительным образом. Налитый в пробирку, он в ней не удерживался, а вытекал через край, поднимаясь по стенкам, и каплями падал с её нижнего конца. Если же эту пробирку опустить в ванну с гелием, жидкость перетекала до тех пор, пока уровни в пробирке и ванне не уравнивались. Этот феномен нашёл объяснение только спустя полтора десятка лет, когда П. Л. Капица открыл явление сверхтекучести. Сверхтекучестью называется свойство жидкого гелия протекать без трения сквозь капилляры и узкие щели. Это чисто квантовое явление возникающее при температурах ниже так называемой лямбда-точки (Т_l = 2,17 К). Его нельзя объяснить с позиций классической физики, согласно которым любая жидкость обладает вязкостью и, следовательно, при течении испытывает трение. П. Л. Капица обнаружил, что свободное течение гелия через капилляры диаметром около 10^-4 мм наблюдается только в определённой области давлений и температур Т < Т_l, в которой гелий кроме сверхтекучести обнаруживает множество других, не менее странных и даже парадоксальных свойств. Поэтому жидкий гелий в этой области называют Не II (гелий-два) в отличие от Не I (гелий-один), обычного жидкого газа, ничем не примечательного. Превращение Не I в Не II представляет собой фазовый переход второго рода, он происходит без изменения агрегатного состояния вещества и удельного объёма, выделения или поглощения тепла. Однако при этом скачком меняется коэффициент теплового расширения гелия, становясь отрицательным: при охлаждении Не II его плотность уменьшается, а при нагревании - растёт. Фазовый переход также сопровождается резким - почти в 10⁶ раз - ростом теплопроводности. Кроме того, поток тепла между двумя близкими точками в Не II оказался не пропорционален перепаду температур между ними, а при вытекании гелия из сосуда через капилляр температура внутри сосуда повышается. Это означает, что механизм теплопередачи в нём отличается от обычного. Именно сверхтекучестью объясняется «эффект Камерлинг-Оннеса»: за счёт неё Не II образует на стенках сосудов плёнку толщиной около 3^.10^{-6 сантиметра} (примерно 10³ атомных слоёв) и перетекает по ней. Природный гелий содержит два устойчивых изотопа: ⁴Не с ядром из двух протонов и двух нейтронов и ³Не, в ядре которого на один нейтрон меньше. Атомов гелия-4 примерно в 10⁶ раз больше, чем гелия-3, поэтому сверхтекучесть определяется только их квантовыми свойствами. Как и любые атомы с ядром, содержащим чётное число нуклонов, атомы ⁴Не - бозоны. Они могут образовывать нечто вроде бозе-конденсата, способного течь без трения, но в котором, однако, сохраняется взаимодействие между атомами. Эта гипотеза привела Л. Д. Ландау к созданию так называемой двухжидкостной модели Не II (Нобелевская премия 1962 года). В 1941 году он предположил, что Не II состоит из двух компонент, которые проявляют себя только при течении жидкости. Разделить их невозможно, это не смесь, а две формы движения - нормального и сверхтекучего. При стремлении температуры к абсолютному нулю гелий становится полностью сверхтекучим, а при Т > Т_l Не II переходит в Не I и теряет свойство сверхтекучести. Кроме того, модель предполагает, что сверхтекучая компонента не переносит тепла. Двухжидкостная модель позволила не только объяснить парадоксы, связанные с теплоёмкостью и теплопроводностью Не II, но и предсказать целый ряд эффектов, впоследствии обнаруженных экспериментально. При возникновении разности температур в гелии начинается движение нормальной и сверхтекучей компонент навстречу одна другой (так как вся масса гелия находится в покое). Тепло переносит только нормальная компонента, скорость которой вследствие подвижности жидкости и отсутствия сопротивления со стороны сверхтекучей компоненты значительно выше скорости обычной теплопередачи. Узкий капилляр, по которому вытекает из сосуда Не II, пропускает только сверхтекучую компоненту. Масса гелия в сосуде уменьшается, а количество тепла остается прежним - оставшаяся жидкость нагревается. Развитие методов получения сверхнизких температур и способов разделения изотопов природного гелия позволило получить в чистом виде жидкий ³Не. Оказалось, что он становится сверхтекучим при температуре Т_с = 0,00265 К и давлении около 34 атмосфер, а при понижении давления температура перехода понижается. Механизм появления сверхтекучести ³Не оказался аналогичным возникновению сверхпроводимости. Поскольку атомы гелия-три содержат нечётное число нуклонов, они относятся к классу фермионов. Однако при очень низких температурах им становится энергетически выгодно объединяться в пары, подобные куперовским и далее возникшие бозоны образуют конденсат, обладающий сверхтекучестью. Теоретические основы этого процесса в середине 70-х годов разработал американский физик Энтони Дж. Леггетт с коллегами. Сверхпроводимость и сверхтекучесть служат наглядным примером, как квантовые свойства микромира - элементарных частиц и атомов - обнаруживают себя в макроскопических масштабах. Квантовая механика, которой обычно пользуются для описания поведения вещества в микроскопическом масштабе, здесь применяется в макроскопическом масштабе. Именно то обстоятельство, что квантовая механика здесь позволяет объяснить макроскопические свойства вещества, делает сверхпроводимость и сверхтекучесть столь интересными явлениями.