Сверхтекучая турбуленция

В чем состоит свойство сверхтекучести? Как Лев Ландау теоретически описал проблемы экспериментов со сверхтекучими жидкостями? И как возникает квантовая турбулентность? Об этом рассказывает PhD Наталия Берлофф.

Первые 40 лет единственная квантовая жидкость, которая была известна — четвертый изотоп гелия. Идея состояла в том, что если газ, гелий, охладить ниже, чем 4 градуса по Кельвину, происходит первый фазовый переход, и газ становится жидким. Но эта жидкость ничем не отличается от любой другой жидкости. Но если его охладить ниже, чем 2 Кельвина, то происходит чудо: эта жидкость начинает течь без всякой вязкости. То есть если любую жидкость разлить на столе, то она протечет и остановится. Здесь, если разлить в каком-то смысле эту жидкость, она будет течь и никогда не остановится; она может проникать через крохотные отверстия размером с атомы.

На самом деле сверхтекучий гелий — это смесь двух компонент: сверхтекучие компоненты и нормальные компоненты. Сверхтекучий компонент — это идеальная эйлеровская жидкость, у которой нет никакой вязкости, у которой огромная бесконечная теплопроводимость, которая не переносит тепла и не переносит энтропии, а нормальный компонент — нормальная жидкость, вязкая, подчиняется обычным уравнениям Навье-Стокса. Если температура немного меньше, чем фазовый переход второго рода, немного меньше, чем 2 Кельвина, то в основном присутствует нормальная компонента и немного сверхтекучей компоненты. Как только температура уменьшается, становится все больше и больше сверхтекучей компоненты и все меньше и меньше нормальной компоненты.

Когда мы говорим о классической турбулентности, мы представляем каскад завихренности — от больших вихрей энергия переходит к маленьким, большие вихри распадаются на маленькие вихри, и кинетическая энергия распределена между этими вихрями различного размера в соответствии с универсальным законом, полученным Колмогоровым — известные колмогоровские «пять третьих». Этот закон существует для практически всех жидкостей в различных условиях; то есть это действительно очень универсальное, известное утверждение, которое справедливо для многих жидкостей. Квантовые жидкости отличаются от классических тем, что нет разнообразия вихрей, то есть все вихри квантуются, практически одинаковые с этой точки зрения. Циркуляция вокруг каждого вихря одинакова. Они не могут распадаться на вихри большего или меньшего размера. Но в это же время существует режим, в котором квантовая жидкость ведет себя так же, как и классическая, если забыть о том, что нет такого разнообразия вихрей.