Квантовая жидкость - Quantum fluid

Квантовая жидкость относится к любой системе , которая проявляет квантовые эффекты на макроскопическом уровне , такие как супержидкости , сверхпроводники , ультрахолодный атомы и т.п. Как правило, квантовые жидкости возникают в ситуации , когда оба квантовых эффекты и квантовые статистические эффекты являются значительными.

Большая часть вещества либо твердое, либо газообразное (при низких плотностях) около абсолютного нуля . Однако для случаев гелия-4 и его изотопа гелия-3 существует диапазон давлений, в котором они могут оставаться жидкими вплоть до абсолютного нуля, поскольку амплитуда квантовых флуктуаций, испытываемых атомами гелия, превышает межатомные расстояния. .

В случае твердых квантовых жидкостей только часть их электронов или протонов ведет себя как «жидкость». Одним из ярких примеров является сверхпроводимость, когда квазичастицы, состоящие из пар электронов и фонона, действуют как бозоны, которые затем могут коллапсировать в основное состояние, создавая сверхток с удельным сопротивлением, близким к нулю.

Вывод

Квантово-механические эффекты становятся существенными для физики в диапазоне длин волн де Бройля . Для конденсированного вещества это происходит, когда длина волны де Бройля частицы больше, чем расстояние между частицами в решетке, составляющей вещество. Длина волны де Бройля, связанная с массивной частицей, равна

${\ displaystyle \ lambda = {\ frac {h} {p}}}$

где h - постоянная Планка. Импульс можно найти из кинетической теории газов , где

${\ displaystyle p = mv_ {p} = m {\ sqrt {2 {\ frac {k_ {B} T} {m}}}} = {\ sqrt {2mk_ {B} T}}}$

Здесь температуру можно найти как

${\ displaystyle k_ {B} T = {\ frac {p ^ {2}} {2m}}}$

Конечно, мы можем заменить импульс здесь импульсом, полученным из длины волны де Бройля, следующим образом:

${\ displaystyle k_ {B} T = {\ frac {h ^ {2}} {2m \ lambda ^ {2}}}}$

Следовательно, мы можем сказать, что квантовые жидкости будут проявляться в приблизительных температурных областях, где , где d - период решетки (или расстояние между частицами). Математически это формулируется так: ${\ displaystyle \ lambda> d}$

${\ displaystyle k_ {B} T = {\ frac {h ^ {2}} {2m \ lambda ^ {2}}} <{\ frac {h ^ {2}} {2md ^ {2}}}}$

Легко увидеть, как приведенное выше определение связано с плотностью частиц n. Мы можем написать

${\ displaystyle k_ {B} T <{\ frac {h ^ {2}} {2m}} n ^ {\ frac {2} {3}}}$

что касается трехмерной решетки ${\ displaystyle d = {\ frac {1} {n ^ {3}}}}$

Вышеупомянутый температурный предел имеет различное значение в зависимости от квантовой статистики, которой придерживается каждая система, но обычно относится к точке, в которой система проявляет свойства квантовой жидкости. Для системы фермионов , является оценкой энергии Ферми системы, в которых процессах важно для таких явлений , как сверхпроводимость имеет место. Для бозонов , дает оценку температуры конденсации Бозе-Эйнштейна. ${\ displaystyle T}$${\ displaystyle T}$${\ displaystyle T}$

Смотрите также

• Конденсат Бозе – Эйнштейна
• Сверхпроводимость
• Сверхтекучесть
• Классическая жидкость
• Жидкий гелий
• Макроскопические квантовые явления
• Топологический порядок

Рекомендации

1. Лернер, Рита Г .; Тригг, Джордж Л. (1990). Энциклопедия физики . Издатели СКЗ. ISBN 0-89573-752-3.