Сверхтекучая пленка

В этой статье есть несколько проблем. Помогите улучшить ее или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти сообщения ) Эта статья может оказаться слишком сложной для понимания большинством читателей .Пожалуйста, помогите улучшить его, чтобы сделать его понятным для неспециалистов , не удаляя технические детали. ( Сентябрь 2021 )( Узнайте, как и когда удалить это сообщение ) В этой статье не представлен достаточный контекст для тех, кто не знаком с предметом .Пожалуйста, помогите улучшить статью, предоставив читателю больше контекста . ( Сентябрь 2021 )( Узнайте, как и когда удалить это сообщение ) ( Узнайте, как и когда удалить это сообщение )

Сверхтекучесть — это явление, при котором жидкость или ее часть теряет всю свою вязкость и может течь без сопротивления. Сверхтекучая пленка — это тонкая пленка, которую она может образовать в результате.

Сверхтекучий гелий , например, образует на поверхности любого контейнера пленку толщиной 30 нанометров . Свойства пленки заставляют гелий подниматься по стенкам контейнера и, если он не закрыт, вытекать.

Сверхтекучесть, как и сверхпроводимость , является макроскопическим проявлением квантовой механики . Существует значительный интерес, как теоретический, так и практический, к этим квантовым фазовым переходам . Было проделано огромное количество работы в области фазовых переходов и критических явлений в двух измерениях. ^[1] Большая часть интереса в этой области связана с тем, что по мере увеличения числа измерений число точно решаемых моделей резко уменьшается. ^{[ dubious – discussion ]} В трех или более измерениях необходимо прибегнуть к подходу теории среднего поля. ^{[ dubious – discussion ]} Теория сверхтекучих переходов в двух измерениях известна как теория Костерлица-Таулеса (KT). Модель 2D XY , в которой параметр порядка характеризуется амплитудой и фазой, является классом универсальности для этого перехода.

При рассмотрении фазовых переходов в тонких пленках, в частности, гелии , двумя основными экспериментальными признаками являются сверхтекучая фракция и теплоемкость . Если бы любое из этих измерений проводилось на сверхтекучей пленке в типичном открытом контейнере, сигнал пленки был бы подавлен фоновым сигналом от контейнера. Поэтому при изучении сверхтекучих пленок первостепенное значение имеет изучение системы с большой площадью поверхности, чтобы усилить сигнал пленки. Есть несколько способов сделать это. В первом случае длинная тонкая полоска материала, такого как пленка ПЭТ, сворачивается в конфигурацию «желейного рулета». В результате получается пленка, представляющая собой длинную непрерывную плоскость, называемую плоской пленкой. ^[2] Второй способ — использовать высокопористый материал, такой как пористое золото, Vycor или Aerogel . Это приводит к многосвязной пленке, где подложка очень похожа на швейцарский сыр с соединенными между собой отверстиями. ^[3] Все эти пористые материалы имеют чрезвычайно высокое отношение площади поверхности к объему. Третий метод заключается в разделении двух чрезвычайно плоских пластин тонкой прокладкой, что также приводит к большому соотношению площади поверхности к объему.

• 
  Изображение пористого золота, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа , площадью 10 мкм.

Сверхтекучесть пленки можно измерить, используя крутильный осциллятор для измерения момента инерции ячейки, содержащей ее. Осциллятор состоит из торсионного стержня, к которому прикреплена ячейка, а также устройства для колебания ячейки на ее резонансной частоте вокруг оси стержня. Более высокая резонансная частота соответствует более низкому моменту инерции.

Любая сверхтекучая фракция пленки теряет вязкость и, следовательно, не участвует в колебаниях. Это означает, что она больше не вносит вклад в момент инерции ячейки, и резонансная частота увеличивается.

Колебание достигается посредством емкостной связи с ребром или парой ребер, в зависимости от конфигурации. (В схеме используется одно ребро, показанное серым цветом.)

Ранняя конструкция крутильного осциллятора была впервые использована Андроникашвили для обнаружения сверхтекучего ^4He в объемной жидкости , а затем модифицирована Джоном Реппи и его коллегами в Корнелле в 1970-х годах.

Напомним, что резонансный период крутильного осциллятора равен . ^{[ необходимо дополнительное объяснение ]} Таким образом, уменьшение момента инерции уменьшает резонансный период осциллятора. Измеряя падение периода в зависимости от температуры и общей загрузки пленки из значения пустой ячейки, можно вывести долю пленки, которая вошла в сверхтекучее состояние. Типичный набор данных, ясно показывающий сверхтекучее разделение в гелиевых пленках, показан в ссылке 2.${\displaystyle 2\пи {\sqrt {м/к}}}$

Типичный крутильный осциллятор имеет резонансную частоту порядка 1000 Гц. Это соответствует максимальной скорости подложки в микрометрах в секунду. Сообщается, что критическая скорость гелиевых пленок составляет порядка 0,1 м/с. Поэтому по сравнению с критической скоростью осциллятор почти находится в состоянии покоя. Для исследования теорий динамических аспектов фазовых переходов тонких пленок необходимо использовать осциллятор с гораздо более высокой частотой. Микровесы на основе кварцевого кристалла представляют собой именно такой инструмент, имеющий резонансную частоту около 10 кГц. Принцип работы во многом такой же, как и у крутильного осциллятора. Когда тонкая пленка адсорбируется на поверхности кристалла, резонансная частота кварцевого кристалла падает. По мере охлаждения кристалла посредством сверхтекучего перехода сверхтекучая жидкость расцепляется, и частота увеличивается. ^[4]

Теория КТ была подтверждена в серии экспериментов Бишопа и Реппи в плоских пленках, т. е. пленках гелия на майларе. В частности, они обнаружили, что температура перехода масштабируется с толщиной пленки, а сверхтекучий переход обнаруживается в пленках толщиной всего 5% монослоя. Совсем недавно было обнаружено, что вблизи температуры перехода, когда длины корреляции превышают любой соответствующий масштаб длины в системе, многосвязная пленка будет вести себя как трехмерная система вблизи своей критической точки. ^[5]

• Конденсат Бозе-Эйнштейна
• Квантовый вихрь
• Сверхтвердый

• Chan, MHW; Yanof, AW; Reppy, JD (17 июня 1974 г.). «Сверхтекучесть тонких пленок He4». Physical Review Letters . 32 (24). Американское физическое общество (APS): 1347– 1350. Bibcode : 1974PhRvL..32.1347C. doi : 10.1103/physrevlett.32.1347. ISSN  0031-9007.