A kvantumfolyadékok csodái a szuperfolyékony hélium Sasvári László ELTE Fizikai Intézet Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék Az atomoktól a csillagokig 2012. március 1. 1
He helye a periódusos rendszerben nemes gázok 2
A hélium stabil izotópjai és elektron szerkezete 3 He 4 He Különbségek: tömeg impulzusnyomaték (spin) 3
Spin és statisztika Spin = saját impulzusnyomaték: Fermionok: pl. proton, neutron, elektron, 3 He(2p1n2e) S = félegész Érvényes a Pauli-féle kizárási elv. Bozonok: S = egész Nincs kizárási elv. pl. 4 He (2p2n2e) Alapállapotban: 3 He: S = 1/2 4 He: S = 0 4
Spin és statisztika kölcsönhatás mentes gázban bozon gáz alapállapota p y fermion gáz alapállapota p y p x p x Minden atom a p = 0 állapotban Az atomok egyenletesen eloszlanak a Fermi-gömbben 5
Hélium felfedezése: a Nap színképében (1869) (neve a görög Heliosz Nap szóból) Első földi felismerése: urán ásványokban (1895) 3 He felfedezése (1933) Előfordulása az Univerzumban: H után a második leggyakoribb elem (pl. a Nap 15-20%-a) Előfordulása a Földön: a légkörben: 5 10-4 % He (ebből 10-6 rész 3 He) egyes földgáz forrásokban 1 2 % He (ebből 10-7 rész 3 He) U és Th ásványok zárványaiban (nincs 3 He) Földi keletkezése: 4 He radioaktív bomlásból (α-bomlás) 3 He egyéb ritka magreakciókból 6
3 He előállítása: 6 Li besugárzása lassú neutronokkal: trícium β-bomlása (felezési idő 12,5 év): 6 Li + n 3 H (trícium) + α 3 H 3 He + e - + ν A nukleáris fegyverkezés mellékterméke He cseppfolyósítása: légköri nyomáson 4,2 K hőmérsékleten ( 4 He) (H. Kammerlingh Onnes, 1908) 7
4 He és 3 He fázisdiagramja 4 He 3 He szilárd szilárd folyadék T c = 5,2 K p c = 2,26 atm folyadék T c = 3,3 K p c = 1,15 atm gáz gáz 8
Keller: Helium-3 and Helium-4 4 He és 3 He fajhője λ-átmenet 9
4 He fázisdiagramja He I : normál folyadék He II: szuperfolyadék szilárd T λ = 2,17 K λ-vonal He II He I T λ gáz Keller: Helium-3 and Helium-4 10
Kapitza kísérlete (P. Kapitza, 1938) He I : a szint süllyedése csak néhány perc után észlelhető He He II : a külső és belső szintek néhány másodpercen belül kiegyenlítődnek 0,5 μm 11
Belső súrlódás, viszkozitás A F d -F A F : az A nagyságú felületre ható nyíróerő η : belső súrlódási (viszkozitási) együttható Newton-féle súrlódási törvény (az anyagra jellemző mennyiség) 12
rotációs viszkozitás mérő kapilláris viszkozitás mérő M a forgás fenntartásához szükséges forgatónyomaték Δp : nyomáskülönbség l : a cső hossza a : a cső sugara I : 1 sec alatt átfolyt térfogat 13
Viszkozitás mérések eredményei η [ μp ] He II He I 1: rezgő lemez 2: kapilláris viszkozitásmérő 3: rotációs viszkozitás mérő Keller: Helium-3 and Helium-4 14
A szuperfolyékony He két-folyadék modellje Munkahipotézis A He II folyadék két komponensből áll: ρ n sűrűségű normál folyadék-komponens (véges viszkozitás) ρ s sűrűségű szuperfolyadék-komponens (zérus viszkozitás) (L.D. Landau, 1941) (Tisza László, 1940) Nem jelenti az atomok szétválogatását. A kísérleti megfigyelések kvantitatív rendszerezésére alkalmas effektív elmélet. A szuperfolyadék áramlása a kondenzátum mozgásával hozható kapcsolatba. 15
Andronikasvili kísérlete He torziós szál (E.L. Andronikasvili, 1946) A ρ n normál sűrűség mérése A rezgésbe hozott lemezek magukkal viszik a normál komponenst. 23,5 mm A torziós rezgések körfrekvenciája: direkciós nyomaték 35 mm tehetetlenségi nyomaték 100 db 13 μm vastag Al lemez 16
Keller: Helium-3 and Helium-4 A normál és a szuperfolyékony komponens sűrűsége relatív sűrűség T [ K ] 17
Termomechanikai jelenség (J.F. Allen, H. Jones, 1938) T+ΔT fűtőtest szökőkút jelenség T He II besugárzás He II porózus tömítés 18
Rollin-film (B.V. Rollin, F.E. Simon, 1937) 20-30 nm (50-80 atom réteg) He II He II 19
Hullámok He II folyadékban Első hang: kompressziós (akusztikus) hullámok λν = u 1 v n v s ρ Második hang: hőmérséklet hullámok (eredő tömegáramlás nélkül) v n v s T λν = u 2 20
Peskov kísérlete (V.P. Peskov, 1944) z álló hőmérséklethullámok He mozgatható fal fűtőtest (ν frekvenciájú fűtés) L mozgatható ellenállás hőmérő δt ellenállás hőmérő 21
Hangsebességek He II folyadékban u 1 u [m/s] u 4 u 2 Keller: Helium-3 and Helium-4 T [K] 22
Fennmaradó (perzisztens) áramlás porózus anyaggal töltött edényben T>T λ T < T λ T < T λ Forgó edényben együttforgó He I folyadék Forgó edényben együttforgó He II folyadék Álló edényben álló normál komponens, perzisztens szuperáramlás 23
Video http://www.youtube.com/watch?v=2z6ujbwxbzi Bemutatott kísérletek: He folyadék forrása szuperfolyadék kiszökése porózus kerámia aljú pohárból Rollin-film szökőkút effektus 24
Keller: Helium-3 and Helium-4 Kvázirészecskék 4 He folyadékban L.D. Landau ε(p) a He folyadék által p impulzusváltozással felvehető energia adag ε(p)/k B [ K ] ε(p) a p impulzusú kvázirészecske energiája normál komponens = a kvázirészecskék gáza p/ ħ [ Ǻ -1 ] 25
A szuperfolyékonyság Landau-féle feltétele pv sc ε(p) [ K ] v sebességű áramlásban fékező kvázirészecskék jelenhetnek meg, ha a pv egyenes metszi ε(p)-t. pv s szuperfolyékony áramlás: v s < v sc p [ Ǻ -1 ] 26
Halperin et al., Phys. Rev. B 13, 2124 (1976) 3He fajhője az olvadási vonalon C f [ J/K mol ] 2,7 mk 27
C. Tiuramanis,Phys 393 Low Temperature Physics 3He fázisdiagramja (T < 3 mk, H = 0) szuperfolyékony fázisok: 3 He-A és 3 He-B 28
A szuperfolyékonyság kialakulásának háttere 3 He: kötött 3 He párok (S = 1) kondenzációja szupravezető fémek: kötött elektron párok (Cooper-párok, S = 0) kondenzációja 29
3He fázisdiagramja mágneses térben http://ltl.tkk.fi/research/theory/he3.html 30
A kvantumfolyadékok Nobel-díjasai H. Kammerlingh Onnes Nobel-díj (1913) alacsony hőmérsékleti kutatásokért, ezen belül He cseppfolyósításáért L.D. Landau Nobel-díj (1962) a kondenzált anyag, különösen a He folyadék elméletében elért úttörő eredményeiért http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/ 31
A kvantumfolyadékok Nobel-díjasai P. Kapitza Nobel-díj (1978, megosztva) alapvető felfedezésekért és újításokért az alacsony hőmérsékletek fizikája területén A.J. Leggett Nobel-díj (2003, megosztva) a szuperfolyadékok területén elért úttörő eredményeiért http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/ 32
A kvantumfolyadékok Nobel-díjasai D.M. Lee D.D. Osheroff R.C. Richardson Nobel-díj (1996) a 3 He szuperfolyékonyságának felfedezéséért http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/ 33