He超流歷史簡介及其特點

1、He超流歷史簡介及其特點0610232 梁愛基0610233 梁深0610217 匡強（非演講）低溫物理是一直是一個很活躍的領域，超流的發(fā)現(xiàn)和研究有賴于低溫物理的發(fā)展。下面是一些偉大人物在這方面的工作一、1）1908 年7 月10 日,H. K. Onnes 將氦液化，這在低溫物理是一個里程碑式的工作2）1911 年,汞電阻在4. 15 K 消失的現(xiàn)象被Onnens 研究小組發(fā)現(xiàn). 1913 年3 月，Onnes 將此現(xiàn)象命名為“超導”. 同年12 月,Onnes 獲諾貝爾物理獎。Onnens 實驗的Hg電阻隨溫度的變化4He超流的發(fā)現(xiàn)走了一些彎路，遠在超導和比熱曲線相變之后的1938年才被發(fā)

2、現(xiàn)3）1922 1923，Dana 和Onnes發(fā)現(xiàn)He比熱曲線的相變，相變溫度T2. 17 K。 萊頓的實驗人員曾觀察到:在T以上液He 激烈沸騰，但在發(fā)生相變時，沸騰突然停止,氣泡消失，液面一片平靜.。可惜的是，這個后來表明有著重要意義的現(xiàn)象，當時卻被輕易的放過了。 二、轉(zhuǎn)機要等到1938年。Nature雜志緊挨著發(fā)表了兩篇關于液He 的文章:一篇是來自莫斯科的P. 的點以下液He 的粘性，另一篇是劍橋大學J 。 和他的研究生D. Misener 的液He 的流動。 兩篇文章實質(zhì)都是研究液He 在壓強差下流過狹窄通道時的粘性，發(fā)現(xiàn)He 流過通道時的粘度實際上是零。 Kapitza 仿照超導

3、的命名，將這一反?，F(xiàn)象命名為“超流”。 Kapitza于 1978 年獲諾貝爾物理獎然而，同樣做出了巨大貢獻的J . and D. Misener的工作卻為被提及 并且Allen 發(fā)現(xiàn)了“噴泉效應”(fountain effect) 它是展示液He 超流動性的典型實驗J . 以及他所發(fā)現(xiàn)的噴泉實驗三、1）F. London基于所謂玻色- 愛因斯坦凝聚(BEC) 給出了定性解釋. He原子由偶數(shù)個費米粒子組成(2 個中子，2 個質(zhì)子和2個電子) ，按照量子力學,它屬于玻色原子，應遵從玻色統(tǒng)計。在T相變時，所發(fā)生的正是4He 原子在動量和能量空間的凝聚。4He 原子具有滿殼層電子結(jié)構(gòu)，原子間的相互

4、作用較弱；同時,它們具有很強的零點運動，使得該系統(tǒng)有可能發(fā)生BEC 相變。 2）L. Tisza 發(fā)展了London 的思想。 他認為He 的反常行為可以定性地用“二流體(two2fluid) 模型”加以解釋。 在該模型中,發(fā)生凝聚的He 原子在流動時表現(xiàn)為完全無阻，而其余未凝聚的He 原子表現(xiàn)得像正常流體一樣。 3）里程碑式的工作來自朗道通過準粒子概念的引入，解決了這個問題。L. D. Landau 按現(xiàn)代的觀點，超流的本質(zhì)特征是發(fā)生“廣義BEC” 當旋轉(zhuǎn)一桶普通的液體和一桶裝有超流的液體時，將看到截然不同的現(xiàn)象。普通液體旋轉(zhuǎn)時像一塊剛體，不同的只是上表面有個弧形，而超流液體會形成一群小的漩

5、渦。如果把超流液體看成一個大的波。所有的粒子都處于同一個波動方程，當液體旋轉(zhuǎn)時，波形必須構(gòu)成一個閉合的曲線，即有周期邊界條件，或一般的駐波條件。對于一個普通的旋轉(zhuǎn)液體，速度是連續(xù)的從桶心至桶州均勻增加，在超流體中，只能是分立的值，類似臺階。一般液體超流體3He和4He不同，3He有三種模式，如右判斷一個液體或者氣體是否處于超流態(tài)有好幾種方法1.遠紅外光波干涉法2.看有無粘滯現(xiàn)象3.有無宏觀波動的量子化漩渦BEC和超流現(xiàn)象是一回事嗎？在許多情況下，BEC和超流是同時發(fā)生的，但是也有例外，如在一維二維系統(tǒng)超流發(fā)生了而波色愛因斯坦凝聚缺沒發(fā)生，有如在混亂的理想氣體當中，波色愛因斯坦凝聚發(fā)生了而看不到

6、超流現(xiàn)象。實驗上觀察到凝聚現(xiàn)象的粒子速度分布在一個很小的尖峰上但是，由于原子間的排斥作用和有限的實驗邊界條件，尖峰較基態(tài)時的分布展寬了。因此，人們不知道觀察到的凝聚是否是相位相干，人們只能知道有一部分粒子處于低能態(tài)。那只是相位相干的觀測或者超流的存在。The BEC-BCS crossover 當原子構(gòu)成波色愛因斯坦凝聚時，是由費米子組成的波色子的作用結(jié)果，因為電子、質(zhì)子、中子都是費米子。通常費米子的結(jié)合能相當?shù)母撸h高于波色子發(fā)生凝聚的溫度，故可以把波色子看成是獨立的單個粒子。這種情況即是普通的波色愛因斯坦凝聚。當費米子對發(fā)生凝聚時，只在轉(zhuǎn)變溫度時產(chǎn)生，他們的結(jié)合能與轉(zhuǎn)變溫度相當。本質(zhì)上并不僅僅是兩體界態(tài)效果，而是周圍其他粒子也參與，是一個多體效果。這些部分的費米子對的結(jié)合能相較于費米溫度是很小的。 現(xiàn)在可以設想，費米子構(gòu)成波色子，而由許多的波色子的多體作用，產(chǎn)生BCS態(tài)。引用文獻：1）蔣建生，戴聞，超流研究的歷史回顧，大學物理，Vol. 22 No. 3 2003 年3 月