Квантовая жидкость

Ква́нтовая жи́дкость — жидкость, свойства которой определяются квантовыми эффектами. Вблизи абсолютного нуля согласно представлениям классической физики, движение атомов должно останавливаться и вещество должно превращаться в кристалл, чего не происходит с некоторыми веществами с малой атомной массой, большой нулевой энергией (и, соответственно, значительными нулевыми колебаниями) и слабым взаимодействием между атомами — то, что они остаются жидкостями, обусловлено квантовыми эффектами, препятствующими образованию кристаллической решётки — при нормальном давлении гелий остаётся жидким вплоть до абсолютного нуля, кристаллический гелий можно получить только при повышенном до 25 атмосфер давлении. Жидкость становится квантовой тогда, когда тепловая длина волны де Бройля её частиц становится сравнимой с расстоянием между ними (происходит квантовое вырождение жидкости. В зависимости от того, бозонами или фермионами являются составляющие жидкость частицы, жидкости называются соответственно бозонными или фермионными (бозе-жидкость или ферми-жидкость).

Квантовые жидкости были открыты Петром Капицей и Джоном Алленом в 1938 году. В принципе электроны в металлах и полупроводниках, экситоны в диэлектриках и нуклоны в атомных ядрах образуют квантовые жидкости, однако классическими примерами таких жидкостей считаются жидкие гелий-4 и гелий-3, являющиеся соответственно бозонной жидкостью и фермионной жидкостью.

Квантовые жидкости проявляют свои необычные свойства в состояниях, близких к основному квантовому состоянию минимальной энергии. В этом случае возбуждённое состояние жидкости можно описать как газ элементарных возбуждений — квазичастиц, которые в свою очередь могут быть бозонами (которые возникают по одной) или фермионами (которые возникают парами, так как угловой момент жидкости может меняться только на целое число h). Бозе-квазичастицы возникают в обоих типах жидкостей, фермиевские — только в ферми-жидкостях. В отличие от атомов жидкости, квазичастицы постоянно рождаются и исчезают во взаимодействиях друг с другом, при этом их распределение в равновесном состоянии даётся соответствующей статистикой с конечной температурой.

Своеобразие свойств квантовых жидкостей связано с формой спектра элементарных возбуждений, то есть с зависимостью энергии квазичастицы от её импульса. Так, бозе-жидкости проявляют свойство сверхтекучести, связанное с линейной зависимостью энергии элементарного возбуждения от импульса при низких импульсах, а в ферми-жидкостях затухание звука растёт при падении температуры, так что при абсолютном нуле обычный звук в ферми-жидкостях (переносимый ферми-квазичастицами) распространяться не может, но существует и может распространяться так называемый нулевой звук, переносимый бозе-возбуждениями квантовой ферми-жидкости.

Ещё одним эффектом, возникающим в фермиевских квантовых жидкостях, является спаривание квазичастиц, возникающее при низких температурах, если квазичастицы притягиваются друг к другу. В таком случае ниже определённой температуры квазичастицы с противоположно направленными импульсами образуют пары, которые ведут себя как бозоны, и соответственно проявляют сверхтекучесть. Электроны проводимости в металле являются своеобразной ферми-жидкостью, на которую оказывает влияние периодическое поле кристаллической решётки. В условиях крайне низкой температуры электроны могут сконденсироваться в квантовую жидкость куперовских пар со сверхпроводимостью.

Сверхтекучие жидкости содержат бозе-конденсат составляющих их частиц, причём он описывается макроскопической волновой функцией. Макроскопический размер когерентности этой составляющей конденсата позволяет использовать его для высокоточных измерений, например, в СКВИДах.

Нейтроны в нейтронных звёздах, по всей видимости, будут также образовывать квантовую жидкость, возможно, сверхтекучую.

В квантовой ферми-жидкости у качающегося маятника увеличивается частота колебаний.

Литература

Использованная

[www.femto.com.ua/articles/part_1/1554.html Квантовая жидкость] — статья из Физической энциклопедии в 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

Рекомендуемая

• Квантовая жидкость // Италия — Кваркуш. — М. : Советская энциклопедия, 1973. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 11).</span>
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. 2-е изд. М., 1964.
• Абрикосов А. А., Халатников И. М. Теория ферми-жидкости // Успехи физических наук. 1958, т. 66, в. 2, с. 177.
• Физика низких температур / Пер. с англ. М., 1959.
• Пайнс Д., Нозьер Ф. Теория квантовых жидкостей / Пер. с англ. М., 1967.

Отрывок, характеризующий Квантовая жидкость

– Французы успели сделать три картечные выстрела, прежде чем гусары вернулись к коноводам. Два залпа были сделаны неверно, и картечь всю перенесло, но зато последний выстрел попал в середину кучки гусар и повалил троих.
Ростов, озабоченный своими отношениями к Богданычу, остановился на мосту, не зная, что ему делать. Рубить (как он всегда воображал себе сражение) было некого, помогать в зажжении моста он тоже не мог, потому что не взял с собою, как другие солдаты, жгута соломы. Он стоял и оглядывался, как вдруг затрещало по мосту будто рассыпанные орехи, и один из гусар, ближе всех бывший от него, со стоном упал на перилы. Ростов побежал к нему вместе с другими. Опять закричал кто то: «Носилки!». Гусара подхватили четыре человека и стали поднимать.
– Оооо!… Бросьте, ради Христа, – закричал раненый; но его всё таки подняли и положили.
Николай Ростов отвернулся и, как будто отыскивая чего то, стал смотреть на даль, на воду Дуная, на небо, на солнце. Как хорошо показалось небо, как голубо, спокойно и глубоко! Как ярко и торжественно опускающееся солнце! Как ласково глянцовито блестела вода в далеком Дунае! И еще лучше были далекие, голубеющие за Дунаем горы, монастырь, таинственные ущелья, залитые до макуш туманом сосновые леса… там тихо, счастливо… «Ничего, ничего бы я не желал, ничего бы не желал, ежели бы я только был там, – думал Ростов. – Во мне одном и в этом солнце так много счастия, а тут… стоны, страдания, страх и эта неясность, эта поспешность… Вот опять кричат что то, и опять все побежали куда то назад, и я бегу с ними, и вот она, вот она, смерть, надо мной, вокруг меня… Мгновенье – и я никогда уже не увижу этого солнца, этой воды, этого ущелья»…
В эту минуту солнце стало скрываться за тучами; впереди Ростова показались другие носилки. И страх смерти и носилок, и любовь к солнцу и жизни – всё слилось в одно болезненно тревожное впечатление.
«Господи Боже! Тот, Кто там в этом небе, спаси, прости и защити меня!» прошептал про себя Ростов.
Гусары подбежали к коноводам, голоса стали громче и спокойнее, носилки скрылись из глаз.
– Что, бг'ат, понюхал пог'оху?… – прокричал ему над ухом голос Васьки Денисова.
«Всё кончилось; но я трус, да, я трус», подумал Ростов и, тяжело вздыхая, взял из рук коновода своего отставившего ногу Грачика и стал садиться.
– Что это было, картечь? – спросил он у Денисова.
– Да еще какая! – прокричал Денисов. – Молодцами г'аботали! А г'абота сквег'ная! Атака – любезное дело, г'убай в песи, а тут, чог'т знает что, бьют как в мишень.
И Денисов отъехал к остановившейся недалеко от Ростова группе: полкового командира, Несвицкого, Жеркова и свитского офицера.
«Однако, кажется, никто не заметил», думал про себя Ростов. И действительно, никто ничего не заметил, потому что каждому было знакомо то чувство, которое испытал в первый раз необстреленный юнкер.
– Вот вам реляция и будет, – сказал Жерков, – глядишь, и меня в подпоручики произведут.
– Доложите князу, что я мост зажигал, – сказал полковник торжественно и весело.
– А коли про потерю спросят?
– Пустячок! – пробасил полковник, – два гусара ранено, и один наповал , – сказал он с видимою радостью, не в силах удержаться от счастливой улыбки, звучно отрубая красивое слово наповал .


Преследуемая стотысячною французскою армией под начальством Бонапарта, встречаемая враждебно расположенными жителями, не доверяя более своим союзникам, испытывая недостаток продовольствия и принужденная действовать вне всех предвидимых условий войны, русская тридцатипятитысячная армия, под начальством Кутузова, поспешно отступала вниз по Дунаю, останавливаясь там, где она бывала настигнута неприятелем, и отбиваясь ариергардными делами, лишь насколько это было нужно для того, чтоб отступать, не теряя тяжестей. Были дела при Ламбахе, Амштетене и Мельке; но, несмотря на храбрость и стойкость, признаваемую самим неприятелем, с которою дрались русские, последствием этих дел было только еще быстрейшее отступление. Австрийские войска, избежавшие плена под Ульмом и присоединившиеся к Кутузову у Браунау, отделились теперь от русской армии, и Кутузов был предоставлен только своим слабым, истощенным силам. Защищать более Вену нельзя было и думать. Вместо наступательной, глубоко обдуманной, по законам новой науки – стратегии, войны, план которой был передан Кутузову в его бытность в Вене австрийским гофкригсратом, единственная, почти недостижимая цель, представлявшаяся теперь Кутузову, состояла в том, чтобы, не погубив армии подобно Маку под Ульмом, соединиться с войсками, шедшими из России.
28 го октября Кутузов с армией перешел на левый берег Дуная и в первый раз остановился, положив Дунай между собой и главными силами французов. 30 го он атаковал находившуюся на левом берегу Дуная дивизию Мортье и разбил ее. В этом деле в первый раз взяты трофеи: знамя, орудия и два неприятельские генерала. В первый раз после двухнедельного отступления русские войска остановились и после борьбы не только удержали поле сражения, но прогнали французов. Несмотря на то, что войска были раздеты, изнурены, на одну треть ослаблены отсталыми, ранеными, убитыми и больными; несмотря на то, что на той стороне Дуная были оставлены больные и раненые с письмом Кутузова, поручавшим их человеколюбию неприятеля; несмотря на то, что большие госпитали и дома в Кремсе, обращенные в лазареты, не могли уже вмещать в себе всех больных и раненых, – несмотря на всё это, остановка при Кремсе и победа над Мортье значительно подняли дух войска. Во всей армии и в главной квартире ходили самые радостные, хотя и несправедливые слухи о мнимом приближении колонн из России, о какой то победе, одержанной австрийцами, и об отступлении испуганного Бонапарта.