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超流性

/superfluidity/
最后更新 2023-04-05
浏览 153
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低于临界温度时,液体可以毫无阻力地通过很窄管道的物理性质。

英文名称
superfluidity
所属学科
物理学

超流性是在1938年由两组物理学家同时发现的,一组是英国剑桥的物理学家J.F.艾伦[注]A.D.米塞纳[注],另一组是在苏联莫斯科的P.L.卡皮察他们发现当温度低于临界温度,液氦可以毫无阻力地流过很窄的管道。卡皮察把这种现象称为超流。超导也可以被看成是超流在电子体系中的表现。

事实上,超流包含了至少两个概念上不一样的现象,可以用以下实验加以说明。其中一个被称为赫斯-费尔班克效应。将液氦限制于一个环形容器中并保持其温度高于临界温度。在这种情况下,液氦表现和一般液体无异。现在将环形容器绕其对称轴以极慢的角速度转动,同时慢慢降温。实验上发现,当温度低于临界温度并趋于零温时,液氦慢慢与容器脱耦,不再转动,即使容器仍旧在转动。这个效应和超导中的迈斯纳效应类似,表明在热力学平衡下,液氦在惯性系中保持静止。另一个则表现为超流的亚稳性。在同样的实验程序下,只将环形容器转速逐渐加大,当温度趋于零温时停止容器的转动,液氦此时仍会转动下去,并与容器脱耦,对应于惯性系中的一个高激发态。这两个效应不一样是因为一个是平衡态,另一个是亚稳态。

现在,人们对超流的一般性理解是建立在玻色-爱因斯坦凝聚的基础上的。由于宏观尺度的粒子数集中在某一单粒子态上,可以用一个单一波函数来描述。由于此单体波函数必须要满足单值边界条件,这就要求每个粒子的角动量必须是的整数倍(为普朗克常数)。对于赫斯-费尔班克效应,由于起初液氦的角动量很小,当温度降到临界温度之下时,宏观数目的粒子必须取一个与初始角动量最靠近的值,也就是角动量为零,因而液氦不再转动。而对于超流的亚稳性,它对应于与初始角动量最靠近的整数非零。

朗道于1941年提出超流的二流体唯象理论,并提出了非常重要的准粒子概念。朗道的二流体理论假设液氦在低温下的激发谱是由长波声子和局域的旋子构成。在这个基础上,朗道把低温下的液氦分成两部分:一部分是背景超流体,这部分熵为零,而且无耗散;另一部分是准粒子激发,它们组成正常流体部分。当液氦流经管道时,黏滞系数来源于管壁可能在液氦中导致的激发。朗道利用伽利略变换的性质证明,对于这一类的准粒子激发谱,当管壁运动速度低于临界速度时,能量和动量守恒保证了准粒子不可能产生,导致超流现象的出现。后来,N.N.博戈留波夫[注]李政道黄克孙[注]杨振宁等用微扰论严格计算了弱相互作用的玻色子体系的激发谱,证实了长波声子的存在。对于液氦这样的体系,R.P.费因曼通过分析基态波函数的性质,论证了长程激发只有声子。这都加深了对超流的理解。

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