Как правильно плавать в сверхтекучей жидкости
Движение при полном отсутствии вязкости проявляется во многих впечатляющих эффектах: сверхтекучий гелий легко протекает через самые узкие щели и трещины, способен бесконечно течь по кругу (**) и вытекать из сосуда через тончайшую жидкую пленку, налипшую на его стенки. Все эти явления – примеры крупномасштабных квантовых эффектов.
В недавней теоретической статье был рассмотрен вопрос: можно ли плавать в сверхтекучей жидкости? Иными словами, может ли гипотетический пловец, двигая руками и ногами, создавать силу тяги, позволяющую ему разгоняться или замедляться, не задействуя силы вязкого трения?
Осознать нетривиальность ответа на этот вопрос можно, рассматривая поведение нормальной и сверхтекучей жидкостей при взаимодействии с телами. Как показано на рисунке, нормальную жидкость можно заставить двигаться, как толкая ее поверхностью твердого тела, так и увлекая ее за собой за счет сил вязкого трения. В сверхтекучей жидкости последнее не получится: трение в ней отсутствует, и ее можно только толкать, что, как мы увидим, делает невозможным некоторые способы плавания.
Для анализа общих принципов физических явлений принято рассматривать простые модели «сферических коней в вакууме». Обсуждаемая статья не является исключением: в ней были рассмотрены двухтельный и трехтельный модельные «пловцы», представляющие собой два и три эллипсоида, соединенных «суставами». Пловцы могут двигать своими эллипсоидами, сгибая и разгибая суставы. Если у пловца получится отталкиваться от окружающей жидкости, он создаст силу тяги и начнет двигаться.
Двухтельный пловец похож на двустворчатого моллюска и может пытаться плыть, периодически изменяя угол между своими эллипсоидами подобно машущей крыльями бабочке. Однако расчеты показывают, что плыть у него не получится: при взмахах пловец перемещается вперед и назад, но в среднем остается на месте (здесь можно посмотреть видео его незамысловатых движений).
Наверху: профиль плотности сверхтекучей жидкости в разные моменты времени. Синие участки, откуда жидкость выталкивается – это эллипсоиды двухтельного пловца.
Внизу: координата пловца как функция времени.
Можно провести параллели между этим результатам и теоремой Пёрселла о морском гребешке (Purcell’s scallop theorem). Эта важная теорема теории плавания гласит, что двустворчатый моллюск, медленно открывающий и закрывающий свою раковину в вязкой жидкости, не будет никуда плыть, коль скоро его движения будут обратимы во времени. Последнее означает, что периодические открывания и закрывания створок раковины не меняют свой вид при запуске времени в обратном направлении (можно представить себе видеоролик, выглядящий просмотре задом наперед точно так же, как при нормальном воспроизведении). В нашем случае жидкость не имеет вязкости, и работает не сама теорема Пёрселла, а ее аналог для сверхтекучей жидкости.
Рисунок из доклада Эдварда Пёрселла (лауреата Нобелевской премии по физике в 1952 году).
Можно попробовать и другой тип движения пловца, когда его створки смыкаются и раздвигаются не только в правом направлении, а попеременно в двух направлениях. Такие симметричные движения похожи на взмахи крыльев бабочки. Расчеты показывают, что при этом возбуждается много квантованных вихрей (они видны на рисунке как маленькие кружочки), но, в целом, плавание не очень эффективно. Причина в том, что возбуждается примерно одинаковое количество вихрей, движущихся как вправо, так и влево, и уносимые ими импульсы в значительной мере компенсируют друг друга (видео).
Рассмотрим теперь трехтельного пловца. Перед двухтельным у него есть важное преимущество: он может извиваться, совершая змеевидные движения, которые не переходят сами в себя при обращении времени. А значит, теорема Пёрселла к нему неприменима, и он должен плыть даже при медленных движениях. Приведенные на рисунке расчеты подтверждают эту догадку: при извивающихся движениях пловец уверенно продвигается по горизонтали, при этом немного смещаясь и по вертикали (видео).
Наверху: профиль плотности сверхтекучей жидкости в разные моменты времени. Синие участки, откуда жидкость выталкивается – это эллипсоиды трехтельного пловца.
Внизу: горизонтальная (X) и вертикальная (Y) координаты пловца как функции времени.
Какое применение можно найти полученным результатам? Казалось бы, задача о плавании в сверхтекучей жидкости не особо актуальна на практике, но есть одна область, где она может быть полезной. В последнее время активно развиваются эксперименты с бозе-конденсацией и сверхтекучестью ультрахолодных атомных газов, с которыми связывают большие планы по созданию квантовых симуляторов, квантовых компьютеров и экспериментальному моделированию экзотических состояний материи. В таких системах можно создавать сгустки сверхтекучего газа одного вида, погруженные в сверхтекучий газ другого вида. Если мы сможем деформировать сгусток так, как нам нужно (а это можно делать с помощью лазерных лучей), то можно будет заставить этот сгусток плыть, отталкиваясь от окружающего газа. На рисунке показаны расчеты, демонстрирующие такую возможность: когда изменения формы сгустка не являются обратимыми во времени, ему действительно удается двигаться (видео).
Итак, мы видим, что плавать в сверхтекучей жидкости нужно с умом: теорема Пёрселла гарантирует, что мы не сможем плыть, если наши движения руками и ногами будут совпадать с самими собой при проигрывании в обратном направлении. Чтобы начать перемещаться, нам нужно будет либо двигаться быстрее звука (что проблематично), либо извиваться подобно змее, нарушив обратимость движений во времени. Эти выводы хорошо знакомы плавающим в вязкой жидкости микроорганизмам: для того, чтобы обойти теорему Пёрселла, им приходится использовать спирально вращающиеся жгутики, являющиеся аналогами рассмотренного здесь трехтельного пловца.
По материалам статьи:
Hiroki Saito, Can We Swim in Superfluids?: Numerical Demonstration of Self-Propulsion in a Bose–Einstein Condensate, Journal of the Physical Society of Japan 84, 114001 (2015).
(*) На самом деле, это не совсем так: любая реальная сверхтекучая жидкость может быть представлена как совокупность «нормальной» и сверхтекучей компонент (двухжидкостная модель), и нормальная компонента будет по-прежнему замедлять движущееся тело. Однако это не мешает сверхтекучей компоненте двигаться полностью без трения.
(**) На практике круговой поток сверхтекучего гелия может затухать, но не из-за вязкости, а за счет квантовомеханического процесса – проскальзывания квантованных вихрей. В экспериментах не наблюдалось никакого заметного затухания в течение 18 часов.
(***) Возникающие в сверхтекучей жидкости вихри – это не просто вихри наподобие маленьких торнадо, а квантованные топологические возбуждения. В отличие от обычных вихрей, они не могут просто исчезнуть за счет постепенного затухания потока.
СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ
СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ, уникальное состояние жидкости, возникающее в гелии при очень низких температурах. Сверхтекучая жидкость отличается от обычных жидкостей тем, что ее вязкость равна нулю. Она может протекать через тончайшие капилляры без всякого сопротивления. Необычные свойства сверхтекучей жидкости объясняются тем, что поведение жидкости в целом определяется законами квантовой механики. См. также КВАНТОВАЯ МЕXАНИКА.
Два изотопа гелия – жидкий 3 Не и жидкий 4 Не – это единственные жидкости, которые становятся сверхтекучими при низких температурах (атом 3 Не имеет такие же химические свойства, как и атом 4 Не, но в его ядре одним нейтроном меньше).
Сверхтекучий 4Не.
Жидкий 4 Не, который впервые был получен в 1908, имеет температуру кипения 4,2 К (нуль абсолютной термодинамической шкалы соответствует температуре –273,16 ° С). Откачивая пар над поверхностью жидкого гелия, можно понизить температуру жидкости примерно до 1 К. В 1930 ученые обратили внимание на то, что при охлаждении жидкого гелия ниже 2,17 К резко меняются многие его свойства. Наиболее заметным изменением является прекращение кипения, указывающее на резкое увеличение теплопроводности. Теплоемкость тоже резко увеличивается, а вязкость, измеренная в тонких капиллярных трубках, падает до нуля. Все это показывает, что в жидком 4 Не при температуре ниже 2,17 К происходит фазовый переход в сверхтекучее состояние.
Двухжидкостная модель.
В 1940–1941 физики Л.Ландау и Л.Тиса независимо друг от друга предложили теоретическую модель сверхтекучего гелия. Ниже 2,17 К жидкий гелий рассматривается как смесь двух жидкостей: нормальной и сверхтекучей. Нормальная жидкость имеет свойства обычной вязкой жидкости. Сверхтекучая же компонента имеет нулевую вязкость, а также нулевую энтропию и энтальпию. Чуть ниже температуры перехода 2,17 К большую часть жидкости составляет нормальная компонента, а сверхтекучая – только малую часть. При дальнейшем охлаждении жидкости сверхтекучей фракции становится все больше, и ниже 1 К жидкость почти полностью оказывается сверхтекучей. На основе такой модели предсказан новый тип звуковых волн (второй звук), которые могут распространяться в сверхтекучей жидкости. Второй звук – это волна температуры, которая регистрируется при помощи термометра (обычные звуковые волны – это волны давления, которые детектируются микрофоном). Экспериментальное наблюдение второго звука (Москва, 1944) подтвердило многие аспекты двухжидкостной модели.
Фонтанный эффект.
Свойства течения сверхтекучей компоненты необычны, потому что такое течение может быть вызвано не только разностью давлений, но и разностью температур (обычная жидкость течет только вследствие разности давлений). Если погрузить в жидкий гелий электронагреватель, то сверхтекучая компонента потечет к нагреваемой области, а нормальная – к холодной в соответствии с законом сохранения масс. На этом основан впечатляющий эффект, называемый фонтанным. Конец тонкой трубки, набитой очень мелким порошком, опускают в жидкий гелий. Если с помощью электронагревателя нагревать жидкость в трубке, то сверхтекучая компонента потечет внутри трубки, а нормальная вязкая жидкость не сможет течь из-за сопротивления, создаваемого порошком. В результате уровень жидкости внутри трубки повышается и, если продолжать нагрев, жидкость будет бить фонтаном из верхнего конца трубки. Эффект весьма значителен: разность температур в несколько сотых кельвина может создать фонтан до метра высотой.
Квантовые эффекты.
Необычные свойства сверхтекучей компоненты объясняются тем, что большая часть атомов гелия движется когерентной группой, а не независимо, как атомы любого другого вещества. Наибольшее впечатление эти квантовые эффекты производят, если привести во вращение контейнер с жидким гелием. Вместо того чтобы вращаться вместе с контейнером, как обычная жидкость, сверхтекучая жидкость превращается в сплетение мелких водоворотов, которые называются квантованными вихрями. Картина течения в каждом таком вихре подобна картине течения в смерче, но в гелии скорость потока определяется постоянной Планка, фундаментальной константой квантовой механики (см. также ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ). Существование этих квантованных вихрей во вращающемся гелии было предсказано в 1950 Л.Онсагером и Р.Фейнманом и подтверждено множеством экспериментов. В 1974 были получены первые фотографии квантованных вихрей. Это оказалось возможным благодаря захвату электронов ядром вихря (подобно тому как камни и обломки втягиваются в центр смерча). Захваченные электроны, создающие изображение на люминофорном экране, отмечают положение каждого вихря и наглядно свидетельствуют о макроскопической квантовой природе сверхтекучей жидкости.
Фазовые переходы в сверхтекучей жидкости.
Уменьшение плотности сверхтекучей жидкости до нуля при температуре 2,17 К и острый пик теплоемкости в этой же точке указывают на то, что при переходе сверхтекучей жидкости в нормальную происходит термодинамический фазовый переход. В своих ранних статьях Онсагер и Фейнман высказывали мнение, что механизм квантованных вихрей может лежать в основе этого фазового перехода, но ни тот, ни другой не проводил расчетов, чтобы подтвердить свою догадку. Только в 1987 математическая теория фазового перехода показала, что их мысль была верна. В этой теории увеличение тепловой энергии жидкости приводит к образованию вихревых витков, подобных кольцам дыма, которые пускают курильщики. При температуре значительно ниже 2,17 К возбуждаются только очень малые вихри, диаметром в несколько ангстрем. Эти вихри, соответствующие нормальной компоненте двухжидкостной модели Ландау, оказывают сопротивление сверхтекучей жидкости, но, будучи очень малыми, они лишь частично уменьшают ее плотность. При повышении температуры образуются вихри все больших и больших размеров. При 2,17 К вихри приобретают размеры, ограниченные только размерами сосуда; это приводит к тому, что плотность сверхтекучей жидкости обращается в нуль и гелий становится нормальной жидкостью.
Сверхтекучий 3Не.
Редкий изотоп 3 Не начали исследовать лишь в 1949. В первых экспериментах 3 Не не был сверхтекучим при температурах выше 1 К. Однако физики-теоретики предсказывали, что эта жидкость может стать сверхтекучей, если ее охладить до температур ниже 1 К. Благодаря достижениям техники низких температур группе ученых из Корнеллского университета удалось охладить жидкий 3 Не до температур ниже 0,003 К и обнаружить фазовый переход в жидкости. Последующие измерения подтвердили, что жидкий 3 Не становится сверхтекучим при охлаждении до сверхнизких температур.
Многие свойства сверхтекучего 3 Не весьма отличны от свойств 4 Не. В 3 Не сверхтекучая жидкость состоит из пар атомов 3 Не, связанных силами взаимного притяжения. Это похоже на ситуацию в металлических сверхпроводниках, сверхпроводимость которых обусловлена образованием связанных пар электронов (см. также СВЕРXПРОВОДИМОСТЬ). Еще одно различие состоит в том, что атомы 3 Не имеют магнитный момент, а атомы 4 Не – нет. Это означает, что на сверхтекучий 3 Не должны действовать внешние магнитные поля. Дальнейшие исследования сделают более понятной квантовую природу сверхтекучести.
Сверхтекучесть увидели при комнатной температуре
Сверху — сверхтекучий поток поляритонов (прямое пространство и фазовая картина). Снизу — переход к сверхзвуковому течению. Кругом и квадратом на изображении выделены вихрь и антивихрь — они четко проявляются на фазовой картине.
Giovanni Lerario et al. / Nature Physics, 2017
Сверхтекучесть — необычное явление, имеющее квантовую природу. Впервые она наблюдалась в жидком гелии: при охлаждении ниже 2,17 вещество полностью теряло вязкость. В сверхтекучем состоянии гелий беспрепятственно вытекает сквозь малейшие трещины и даже способен подниматься по стенкам сосуда и переливаться через край под действием капиллярных сил. Это явление, наряду со сверхпроводимостью, родственно другому физическому процессу — бозе-эйнштейновской конденсации. В такой конденсации бозоны — они могут быть представлены атомами гелия, куперовскими парами или другими частицами — переходят в состояние с минимальной энергией и становятся неотличимыми друг от друга. В результате все они начинают вести себя как единая система.
Аномальное течение сверхтекучего гелия
Alfred Leitner «Liquid Helium, Superfluid»
Роль конденсируемых частиц в сверхтекучести могут играть не только атомы гелия, но и, например, водород или квазичастицы-бозоны. Квазичастицами называют частицы, которые вводят физики чтобы упростить описание многочастичных процессов в твердом теле. Например, электрон в твердом теле удобно заменить на электрон-квазичастицу, который ведет себя так, словно его масса увеличилась или, наоборот, стала нулевой. Подробнее о квазичастицах можно прочесть в нашем материале квантовой азбуки: «Зоопарк квазичастиц» — в нем эти необычные объекты поясняются на котах.
В новой работе физики конденсировали экситонные поляритоны. Эти квазичастицы возникают при взаимодействии экситонов — квазичастиц, состоящих из электрона и дырки (квазичастиц, обозначающих отсутствие электрона) — и фотонов (настоящих). Поляритоны способны взаимодействовать между собой и, образовывать потоки, подчиняющиеся законам гидродинамики. В зависимости от того, в каком материале возникают поляритоны, их свойства отличаются. Так, в органических полупроводниках взаимодействие между отдельными поляритонами довольно слабое. Но такие квазичастицы гораздо более устойчивы к распаду экситона на электрон и дырку под действием тепловых эффектов. Это делает возможным существование потока конденсата из поляритонов при комнатной температуре. Ранее было показано, что при очень низких температурах конденсат поляритонов может вести себя как сверхтекучая жидкость.
Для создания экситонных поляритонов используется следующая схема. Полупроводник, в котором возможно рождение экситонов, помещают в оптический резонатор и облучают светом. В новой работе роль полупроводника выполнял органический флуоресцентный краситель на базе флуорена. Тонкий слой этого красителя помещали между двумя зеркалами с высокой отражательной способностью — они создавали оптический резонатор. Затем в резонатор под углом направляли луч лазера, который многократно отражался от зеркал и взаимодействовал с экситонами в красителе.
Сверхзвуковое течение поляритонов (слева, скорость 27 микрометров за пикосекунду). Сверхтекучее течение поляритонов (справа, удвоенная плотность по сравнению с левым изображением, скорость та же). Волны на изображении справа — следствие импульсной подачи излучения
Giovanni Lerario et al. / Nature Physics, 2017
Явление сверхтекучести
В теоретической физике уже несколько столетий известно понятие идеальной жидкости. Его исследовали такие классики физики, как Даниил Бернулли, Пуассон, Леонард Эйлер.
Идеальная жидкость
Таким образом, идеальная жидкость – это сверхтекучая жидкость. Тела, двигающиеся в такой жидкости не испытывают трения, а посему полностью подчиняются простейшему случаю закона Галилея об инерции: их движение прямолинейно и имеет постоянную скорость. Если тело вращается, то его вращение в идеальной жидкости вечно и имеет одну и ту же угловую скорость.
Моделью идеальной жидкости пользуются при теоретическом рассмотрении задач, в которых вязкость не является определяющим фактором и ею можно пренебречь. В частности, такая идеализация допустима во многих случаях течения, рассматриваемых гидроаэромеханикой, и даёт хорошее описание реальных течений жидкостей и газов на достаточном удалении от омываемых твёрдых поверхностей и поверхностей раздела с неподвижной средой. Математическое описание течений идеальных жидкостей позволяет найти теоретическое решение ряда задач о движении жидкостей и газов в каналах различной формы, при истечении струй и при обтекании тел.
Уже в XVIII веке Леонард Эйлер понял, что эфир является идеальной, сверхтекучей жидкостью и использовал это в своих теоретических построениях.
До XX века физикам не было известно о существовании идеальных, то есть жидкостей, имеющих свойство сверхтекучести среди обычных веществ.
Открытие сверхтекучести
В 1938 году П. Л. Капицей была экспериментально открыта сверхтекучесть жидкого гелия-II ниже лямбда-точки (T = 2,172°К). Уже до этого было известно, что при прохождении этой точки жидкий гелий испытывает фазовый переход, переходя из полностью “нормального” состояния (называемого гелий-I) в новое состояние так называемого гелия-II, однако только Капица показал, что гелий-II течёт вообще без трения (в пределах экспериментальных погрешностей).
Сверхтекучесть объясняется следующим образом. Поскольку атомы гелия являются бозонами, квантовая механика допускает нахождение в одном состоянии произвольного числа частиц. Вблизи абсолютного нуля температур все атомы гелия оказываются в основном энергетическом состоянии. Поскольку энергия состояний дискретна, атом может получить не любую энергию, а только такую, которая равна энергетическому зазору между соседними уровнями энергии. Но при низкой температуре энергия столкновений может оказаться меньше этой величины, в результате чего рассеяния энергии попросту не будет происходить. Жидкость будет течь без трения.
Двухкомпонентная модель сверхтекучести
Ниже 2,17°К жидкий гелий представляет собой смесь двух жидкостей: нормальной и сверхтекучей.
Сверхтекучая компонента движется без трения, обладает нулевой температурой и не участвует в переносе энергии в форме теплоты. Нормальная компонента представляет собой газ квазичастиц двух типов: фононов и ротонов, то есть элементарных возбуждений квантовокоррелированной жидкости; она движется с трением и участвует в переносе энергии.
Нормальная жидкость имеет свойства обычной вязкой жидкости. Сверхтекучая же компонента имеет нулевую вязкость, а также нулевую энтропию и энтальпию. Чуть ниже температуры перехода 2,17°К большую часть жидкости составляет нормальная компонента, а сверхтекучая – только малую часть. При дальнейшем охлаждении жидкости сверхтекучей фракции становится все больше, и ниже 1°К жидкость почти полностью оказывается сверхтекучей. На основе такой модели предсказан новый тип звуковых волн (второй звук), которые могут распространяться в сверхтекучей жидкости. Второй звук – это волна температуры, которая регистрируется при помощи термометра (обычные звуковые волны – это волны давления, которые детектируются микрофоном). Экспериментальное наблюдение второго звука (Москва, 1944) подтвердило многие аспекты двухжидкостной модели.
При температуре 0°К в гелии отсутствует свободная энергия, которую можно было бы потратить на рождение квазичастиц, и поэтому гелий находится полностью в сверхтекучем состоянии. При повышении температуры плотность газа квазичастиц (прежде всего, фононов) растёт, и доля сверхтекучей компоненты падает. Вблизи температуры лямбда-точки концентрация квазичастиц становится столь велика, что они образуют уже не газ, а жидкость квазичастиц, и наконец при превышении температуры лямбда-точки макроскопическая квантовая когерентность теряется, и сверхтекучая компонента пропадает вовсе. Относительная доля нормальной компоненты показана на Рис.1.
Рис.1. Относительная доля нормальной компоненты 3 He
При протекании гелия сквозь щели с малой скоростью, сверхтекучая компонента, по определению, обтекает все препятствия без потери кинетической энергии, то есть без трения. Трение могло бы возникнуть, если бы какой-либо выступ щели порождал бы квазичастицы, уносящие в разные стороны импульс жидкости. Однако такое явление при малых скоростях течения энергетически невыгодно, и только при превышении критической скорости течения начинают генерироваться ротоны.
Эта модель хорошо объясняет разнообразные термомеханические, оптикомеханические и т. п. явления, наблюдающиеся в гелии-II.
Двухкомпонентная модель сверхтекучести имеет место и для других веществ и типов сверхтекучести.
Два изотопа гелия – жидкий 3 Не и жидкий 4 Не – были до недавнего времени единственными жидкостями, которые становятся сверхтекучими при низких температурах (атом 3 Не имеет такие же химические свойства, как и атом 4 Не, но в его ядре одним нейтроном меньше).
Сверхтекучий 4 Не
Жидкий 4 Не, который впервые был получен в 1908, имеет температуру кипения 4,2°К (нуль абсолютной термодинамической шкалы соответствует температуре –273,16°С). Откачивая пар над поверхностью жидкого гелия, можно понизить температуру жидкости примерно до 1°К. В 1930 ученые обратили внимание на то, что при охлаждении жидкого гелия ниже 2,17°К резко меняются многие его свойства. Наиболее заметным изменением является прекращение кипения, указывающее на резкое увеличение теплопроводности. Теплоемкость тоже резко увеличивается, а вязкость, измеренная в тонких капиллярных трубках, падает до нуля. Все это показывает, что в жидком 4 Не при температуре ниже 2,17°К происходит фазовый переход в сверхтекучее состояние.
Фонтанный эффект
Свойства течения сверхтекучей компоненты необычны, потому что такое течение может быть вызвано не только разностью давлений, но и разностью температур (обычная жидкость течет только вследствие разности давлений). Если погрузить в жидкий гелий электронагреватель, то сверхтекучая компонента потечет к нагреваемой области, а нормальная – к холодной в соответствии с законом сохранения масс. На этом основан впечатляющий эффект, называемый фонтанным. Конец тонкой трубки, набитой очень мелким порошком, опускают в жидкий гелий. Если с помощью электронагревателя нагревать жидкость в трубке, то сверхтекучая компонента потечет внутри трубки, а нормальная вязкая жидкость не сможет течь из-за сопротивления, создаваемого порошком. В результате уровень жидкости внутри трубки повышается и, если продолжать нагрев, жидкость будет бить фонтаном из верхнего конца трубки. Эффект весьма значителен: разность температур в несколько сотых Кельвина может создать фонтан до метра высотой.
Квантовые эффекты
Необычные свойства сверхтекучей компоненты объясняются тем, что большая часть атомов гелия движется когерентной группой, а не независимо, как атомы любого другого вещества. Наибольшее впечатление эти квантовые эффекты производят, если привести во вращение контейнер с жидким гелием. Вместо того чтобы вращаться вместе с контейнером, как обычная жидкость, сверхтекучая жидкость превращается в сплетение мелких водоворотов, которые называются квантованными вихрями. Картина течения в каждом таком вихре подобна картине течения в смерче, но в гелии скорость потока определяется постоянной Планка, фундаментальной константой квантовой механики. Существование этих квантованных вихрей во вращающемся гелии было предсказано в 1950 г. Онсагером и подтверждено множеством экспериментов. В 1974 были получены первые фотографии квантованных вихрей. Это оказалось возможным благодаря захвату электронов ядром вихря (подобно тому, как камни и обломки втягиваются в центр смерча). Захваченные электроны, создающие изображение на люминофорном экране, отмечают положение каждого вихря и наглядно свидетельствуют о макроскопической квантовой природе сверхтекучей жидкости.
Фазовые переходы в сверхтекучей жидкости
Уменьшение плотности сверхтекучей жидкости до нуля при температуре 2,17°К и острый пик теплоемкости в этой же точке указывают на то, что при переходе сверхтекучей жидкости в нормальную происходит термодинамический фазовый переход. В своих ранних статьях Онсагер высказал мнение, что механизм квантованных вихрей может лежать в основе этого фазового перехода. Только в 1987 математическая теория фазового перехода показала, что эта мысль верна. В этой теории увеличение тепловой энергии жидкости приводит к образованию вихревых витков, подобных кольцам дыма, которые пускают курильщики. При температуре значительно ниже 2,17°К возбуждаются только очень малые вихри, диаметром в несколько ангстрем. Эти вихри, соответствующие нормальной компоненте двухжидкостной модели, оказывают сопротивление сверхтекучей жидкости, но, будучи очень малыми, они лишь частично уменьшают ее плотность. При повышении температуры образуются вихри все больших и больших размеров. При 2,17°К вихри приобретают размеры, ограниченные только размерами сосуда; это приводит к тому, что доля сверхтекучей жидкости обращается в нуль и гелий становится нормальной жидкостью.
Сверхтекучий 3 Не
Редкий изотоп 3 Не начали исследовать лишь в 1949. В первых экспериментах 3 Не не был сверхтекучим при температурах выше 1°К. Однако физики-теоретики предсказывали, что эта жидкость может стать сверхтекучей, если ее охладить до температур ниже 1°К. Благодаря достижениям техники низких температур группе ученых из Корнелльского университета удалось охладить жидкий 3 Не до температур ниже 0,003°К и обнаружить фазовый переход в жидкости. Последующие измерения подтвердили, что жидкий 3 Не становится сверхтекучим при охлаждении до сверхнизких температур.
Многие свойства сверхтекучего 3 Не весьма отличны от свойств 4 Не. В 3 Не сверхтекучая жидкость состоит из пар атомов 3 Не, связанных силами взаимного притяжения. Это похоже на ситуацию в металлических сверхпроводниках, сверхпроводимость которых обусловлена образованием связанных пар электронов. Еще одно различие состоит в том, что атомы 3 Не имеют магнитный момент, а атомы 4 Не – нет. Это означает, что на сверхтекучий 3 Не должны действовать внешние магнитные поля. Дальнейшие исследования сделают более понятной квантовую природу сверхтекучести.
Сверхтекучесть в иных системах
В 1995 году в экспериментах с разреженными газами щелочных металлов были достигнуты достаточно низкие температуры для того, чтобы газ перешел в состояние бозе-конденсата. Как и ожидалось на основании теоретических вычислений, полученный конденсат вёл себя как сверхтекучая жидкость. В последующих экспериментах было установлено, что при движении тел сквозь этот конденсат со скоростями меньше критической никакой передачи энергии от тела к конденсату не происходит.
В 2000 году Ян Петер Тоэнниэс демонстрирует сверхтекучесть водорода при 0,15°K
В 2004 году было объявлено об открытии сверхтекучести и у твёрдого гелия. Последующие исследования, однако, показали, что ситуация далеко не столь проста, и потому говорить об экспериментальном обнаружении этого явления пока преждевременно.
С 2004 года, на основании результатов ряда теоретических работ предполагается, что при давлениях порядка 4 миллионов атмосфер и выше водород становится не способным переходить в твердую фазу при любом охлаждении (как и гелий при нормальном давлении) образуя тем самым сверхтекучую жидкость. Прямые экспериментальные подтверждения или опровержения пока отсутствуют.
Существуют также работы, предсказывающие сверхтекучесть в холодном нейтронном агрегатном состоянии (в сверхсжатой ядерной материи). Это является важным для понимания физики нейтронных звёзд и квазаров.
В 2005 году была открыта сверхтекучесть в холодном разреженном газе фермионов.
В 2009 году была продемонстрирована сверхтекучесть типа “supersolid” в холодном разреженном газе рубидия
Высокотемпературная сверхтекучесть
Явление высокотемпературной сверхтекучести может иметь место при движении морских животных (дельфинов) в воде, позволяя им развивать большую скорость. Первоначальные оценки необходимых для этого мышечных усилий при условии турбулентного обтекания показали, что эти усилия превышают возможности дельфинов в 10 раз (парадокс Грея). Впоследствии выяснилось, что благодаря строению кожи дельфина турбулентность гасится благодаря демпфирующему влиянию кожи и обтекающий поток ламинаризуется. Высказывалось мнение, что демпфирование — активный процесс, регулируемый центральной нервной системой дельфина.