Сверхтекучесть является особым квантовым состоянием некоторых веществ, например гелия, при очень низких температурах. Это явление заключается в том, что вещество может проходить через микроскопические щели без трения. Используя это свойство гелия, можно, например, проверять качество сварки или спайки, хотя это и слишком дорого.

Впервые сверхтекучесть наблюдалась у гелия-II П. Л. Капицей в 1938 году. Теоретическое объяснение было дано впоследствии Л. Д. Ландау.

Один из способов наблюдать явление сверхтекучести заключается в следующем: если сверхтекучий гелий поместить в стакан, он начнет вытекать наружу через его края в направлении более высокой температуры, даже если уровень жидкости сильно ниже этих краев.

В физическом смысле сверхтекучесть — это течение жидкости фактически без трения. На самом деле не всей жидкости, а какой-то ее части, и это зависит от температуры. Дело в том, что в сверхтекучем состоянии гелий состоит фактически из двух жидкостей: обычной и так называемого конденсата Бозе — Эйнштейна. Последний и обладает свойством сверхтекучести.

Атомы гелия-II являются бозонами. При низких температурах начинают проявляться квантовые свойства бозонов в жидкости. Этот тип частиц стремится пребывать в одном и том же квантовом состоянии. Последнее свойство используется, например, в лазерах, так как фотоны тоже являются бозонами. Поэтому частицы в конденсате стремятся все одновременно двигаться в одном и том же направлении. В этом и заключается обсуждаемое явление.

Почему же не происходит потерь на трение? Что подразумевается под трением? Говоря простым языком, в жидкости рождается какое-то возбуждение — грубо говоря, вортекс, — что и приводит к потере энергии течения на трение.

Критерий сверхтекучести Ландау объясняет, почему вы можете заставить жидкость течь с какой-то скоростью, не рождая в ней возбуждения, то есть не создавая трения. Для этого нужна определенная характеристика зависимости энергии возбуждений от их импульса. И в ней примечательное свойство — наличие так называемой энергетической щели:

Рекомендуем по этой теме:
18390
Сверхтекучесть и критерий Ландау

 // Спектр элементарных возбуждений в HeII, полученный в нейтронных экспериментах; ℰ — энергия квазичастицы, p — ее импульс.
Здесь энергетическая щель — это Е0.

Близкое к сверхтекучести явление — сверхпроводимость, то есть когда материал обладает нулевым сопротивлением при низких температурах.

Сверхпроводимость имеет технологические применения, например при создании очень сильных магнитов. Последние используются на ускорителях, но также могут быть использованы, скажем, при создании поездов на магнитной подушке.

Грубо говоря, сверхтекучесть — это передача массы с определенными свойствами, а сверхпроводимость — это передача заряда с подобными же свойствами. Формально эти явления очень близки. В частности, теории, описывающие оба явления, имеют некоторые общие характерные свойства, например наличие массовой щели. Критерий сверхтекучести Ландау применим и для описания сверхпроводимости.

На данном этапе широкий интерес у научного сообщества вызывают так называемая высокотемпературная сверхпроводимость и конденсаты Бозе — Эйнштейна.