Сверхтекучая пленка - Superfluid film

Сверхтекучесть и сверхпроводимость макроскопические проявления квантовая механика. Эти квантовые решения представляют значительный теоретический и практический интерес. фазовые переходы. В области фазовых переходов и критических явлений в двух измерениях проделана огромная работа.[1] Большой интерес в этой области вызван тем, что по мере увеличения количества измерений количество точно решаемых моделей резко уменьшается. В трех или более измерениях нужно прибегать к подходу теории среднего поля. Теория сверхтекучих переходов в двух измерениях известна как теория Костерлиц-Таулесс (КТ) теория. 2D XY модель - где параметр порядка характеризуется амплитудой и фазой - класс универсальности для этого перехода.

Экспериментальные методы

Глядя на фазовые переходы в тонких пленках, в частности гелий, двумя основными экспериментальными сигнатурами являются сверхтекучий фракция и теплоемкость. Если бы любое из этих измерений проводилось на сверхтекучей пленке в типичном открытом контейнере, сигнал пленки был бы подавлен фоновым сигналом от контейнера. Поэтому при изучении сверхтекучих пленок первостепенное значение имеет изучение системы с большой площадью поверхности для усиления сигнала пленки. Есть несколько способов сделать это. В первом - длинная тонкая полоска материала, такого как ПЭТ пленка сворачивается в конфигурацию «желейный рулет». В результате получается пленка, представляющая собой длинную непрерывную плоскость, называемую плоской пленкой.[2] Второй способ - использовать высокопористый материал, например, пористое золото, Викор, или же Аэрогель. В результате получается многосвязная пленка, в которой субстрат очень похож на швейцарский сыр с соединенными между собой отверстиями.[3] Все эти пористые материалы имеют чрезвычайно высокое отношение площади поверхности к объему. Третий метод - разделить две чрезвычайно плоские пластины тонкой прокладкой, что опять же приводит к большому соотношению площади поверхности к объему.

МатериалПлощадь поверхности (м2/грамм)Размер пор (нм)
Выкор стекло2504
Пористое золото100-200100
Аэрогель200-100020

  • СЭМ-изображение пористого золота, квадрат 10 микрометров

Можно измерить сверхтекучий отклик пленки, измерив момент инерции. Незаменимым инструментом для этого является торсионный осциллятор, и ранняя конструкция была впервые использована Андроникашвили для обнаружения сверхтекучей жидкости в объеме жидкости. 4Он, а затем модифицирован Джоном Реппи и его коллегами в Корнелле в 1970-х годах. В торсионном осцилляторе экспериментальный объем подвешивается на торсионном стержне и заставляется колебаться в резонансе за счет емкостной связи с ребром или парой ребер, в зависимости от конфигурации (показано ниже серым цветом). Когда часть пленки становится сверхтекучей, она теряет вязкость и остается в покое в лабораторной раме, уменьшая момент инерции ячейки. Напомним, что резонансный период крутильного осциллятора равен . Следовательно, уменьшение момента инерции уменьшает резонансный период генератора. Измеряя падение периода как функцию температуры и общую загрузку пленки по значению пустой ячейки, можно вывести долю пленки, которая перешла в сверхтекучее состояние. Типичный набор данных, наглядно демонстрирующий сверхтекучую развязку в гелиевых пленках, показан в [5]. 2.

  • Торсионный осциллятор с конфигурацией с одним ребром

Типичный торсионный осциллятор имеет резонансную частоту порядка 1000 Гц. Это соответствует максимальной скорости субстрата микрометров в секунду. Сообщается, что критическая скорость гелиевых пленок составляет порядка 0,1 м / с. Таким образом, по сравнению с критической скоростью осциллятор почти неподвижен. Чтобы исследовать теории динамических аспектов фазовых переходов в тонких пленках, необходимо использовать генератор с гораздо более высокой частотой. В кварцевые микровесы предоставляет именно такой инструмент, имеющий резонансную частоту около 10 кГц. Принцип работы такой же, как у крутильного генератора. Когда тонкая пленка адсорбируется на поверхность кристалла, резонансная частота кристалла кварца падает. Когда кристалл охлаждается за счет сверхтекучего перехода, сверхтекучая жидкость отделяется, и частота увеличивается.[4]

Некоторые результаты

Теория КТ была подтверждена в серии экспериментов Бишопа и Реппи на планарных пленках, то есть пленках гелия на майларе. В частности, они обнаружили, что температура перехода зависит от толщины пленки, и сверхтекучий переход обнаруживается в пленках толщиной всего 5% от монослоя. Совсем недавно было обнаружено, что вблизи температуры перехода, когда корреляционные длины превышают любой соответствующий масштаб длины в системе, многосвязная пленка будет вести себя как трехмерная система вблизи своей критической точки.[5]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Дэвид Таулесс: Физика конденсированного состояния в менее чем трех измерениях. Гл. 7. Новая физика, Пол Дэвис, изд. Кембридж.
  2. ^ Бишоп, Д. Дж .; Реппи, Дж. Д. (26 июня 1978 г.). "Исследование сверхтекучего перехода в двумерном пространстве. 4Он снимает ". Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 40 (26): 1727–1730. Дои:10.1103 / Physrevlett.40.1727. ISSN  0031-9007.
  3. ^ Berthold, J. E .; Бишоп, Д. Дж .; Реппи, Дж. Д. (8 августа 1977 г.). "Сверхтекучий переход 4Он пленяет адсорбцию на пористом викоровом стекле ». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 39 (6): 348–352. Дои:10.1103 / Physrevlett.39.348. ISSN  0031-9007.
  4. ^ Хиеда, Мицунори; Кларк, Энтони С.; Чан, М. Х. У. (2004). "Исследование сверхтекучей жидкости на микровесах на кристаллах кварца 4Он снимает на золотых и пористых золотых поверхностях ». Журнал физики низких температур. Springer Nature. 134 (1/2): 91–96. Дои:10.1023 / b: jolt.0000012540.32796.e0. ISSN  0022-2291.
  5. ^ Чан, М. Х. В .; Blum, K. I .; Murphy, S. Q .; Вонг, Г. К. С .; Реппи, Дж. Д. (24 октября 1988 г.). «Беспорядок и сверхтекучий переход в LiquidHe4». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 61 (17): 1950–1953. Дои:10.1103 / Physrevlett.61.1950. ISSN  0031-9007.

Рекомендации

  • Чан, М. Х. В .; Яноф, А. В .; Реппи, Дж. Д. (17 июня 1974 г.). «Сверхтекучесть ThinHe4Films». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 32 (24): 1347–1350. Дои:10.1103 / Physrevlett.32.1347. ISSN  0031-9007.

внешняя ссылка