Эффект Померанчука. Три сверхтекучие фазы. Теоретические представления. Р-спаривание Изотоп 3 He

Изотоп 3 He Жидкий 3 He подчиняется статистике Ферми-Дирака Отклонение от классического поведения начинается примерно при температуре, когда тепловая длина волны де-Бройля становится сравнима со средним расстоянием между частицами. Для жидкого гелия-3 это температура ~ 1K Значительно ниже этого значения как теплоемкость, так и энтропия, согласно теории ферми-жидкости, будут линейными функциями температуры, т.е. S =γT Уравнение Клазиуса – Клайперона: 2.

Изотоп 3 He 3.

Эффект Померанчука Числитель меняет знак при охлаждении в области вырождения Ферми, т.к. S liquid =γT становится меньше, чем постоянная энтропия твердой фазы S solid =Nln2 При низких температурах наклон кривой плавления становится отрицательным В этом режиме отрицательной становится скрытая теплота плавления, т.е. чтобы заморозить жидкий 3 He, надо к нему подвести тепло – это так называемый эффект Померанчука Согласно эффекту Померанчука, твердая фаза должна собираться в самом теплом месте криостата Криоячейку (криостат специальной конструкции) для адиабатического сжатия называют ячейкой Померанчука 4.

Эффект Померанчука Зависимость давления от времени (температуры) при адиабатическом сжатии (расширении) в ячейке Померанчука 5.

Эффект Померанчука Экспериментальная диаграмма сверхтекучих фаз в 3 He 6.

Сверхтекучие фазы В 1972 году были обнаружены две (А, В) сверхтекучие фазы в жидком гелии-3 Полагают, что здесь имеет место спаривание носителей, но из-за сильного взаимодействия между атомами 3 He куперовские пары будут иметь совсем другую природу, чем пары сверхпроводящих электронов В обычных сверхпроводниках куперовские пары имеют нулевой орбитальный магнитный момент (l=0), так что электроны в такой паре не вращаются друг относительно друга. Сильное короткодействующее отталкивание частиц в жидком 3 He запрещает этот тип спаривания Сверхтекучая A-фаза отождествляется с состоянием Андерсона- Морела и состоит только из пар с состояниями и Сверхтекучая B-фаза, отождествляемая с состоянием Бальяна и Вертхамера, соответствует параметру порядка со всеми тремя спиновыми компонентами 7.

Свойства 3 He Необычные типы спаривания, реализуемые в жидком гелии-3, и внутренние степени свободы пары отражаются на физических свойствах Орбитальная анизотропия A-фазы приводит к экспериментально наблюдаемым анизотропным свойствам сверх потока Энергетическая щель (запрещенная область энергий, образующаяся из-за спаривания), в гелии-3-A также анизотропная, в то время как в гелии-3-B она изотропна Измерения теплоемкости при переходах в новые фазы дали кривые, характерные для обычных сверхпроводников, со скачком в точке перехода Выше A-перехода имеет место типичная линейная зависимость от температуры, характерная для нормальной ферми-жидкости 8.

Смеси 3 He и 4 He Раствор 3 He в 4 He представляет собой простейшую разреженную систему ферми-газа 3 He в инертном сверхтекучем конденсате 4 He, что делает такой раствор идеальным объектом для развития и апробации различных методов теории ферми-жидкости Первая классическая работа в области теории сверхтекучести трехмерных растворов принадлежит Бардину, Бейму и Пайнсу (1967), установивших изящную аналогию между спариванием двух атомов 3 He в растворе через поляризацию фона 4 He (обмен виртуальными фононами). Температуру сверхтекучести 3 He (т.е. сверхтекучести разреженной ферми-системы) оценивают как Раствор 3 He в 4 He является очень интересным объектом в связи с тем, что его можно сделать чисто двумерным 9.

Смеси 3 He и 4 He В случае пленки 3 He на графойле (отслаивающийся графит) радиус локализации атомов 3 He в третьем измерении (т.е. толщина пленки) порядка межатомных расстояний Двумерный раствор 3 He в 4 He является как бы мостиком между сверхтекучестью и сверхпроводимостью Измерения коэффициента поверхностного натяжения (фактически поверхностной свободной энергии) как функции температуры в слабом растворе 3 He в 4 He дали нетривиальную зависимость. Для интерпретации экспериментов Андреевым была предложена идея о существовании поверхностных примесных уровней на свободной поверхности 4 He. В результате атомы 3 He свободно двигаются вдоль поверхности, и плохо – поперек. Они локализуются у поверхности 4 He в пленку. Для двумерной ферми-системы оценки критической температуры на два-три порядка выше, чем в трехмерном случае, что дает надежду экспериментальной проверки сверхтекучести 10.