Журнал Q 10 2012

Q Журнал

***

О сверхтекучести гелия

Необычный переход в жидком гелии, который происходит при температуре 2,17К (-271 наших градусов), был известен очень давно. Такое нельзя не заметить. Для этого даже не надо быть научным работником.

Жидкий гелий существует при столь низких температурах и испаряется так легко, что непрерывно находится в состоянии кипения. Сосуд с гелием выглядит очень похоже на кастрюлю с водой, поставленную на медленный огонь. Единственное различие в том, что пузырьки, которые характеризуют процесс кипения в гелии, очень уж мелкие.

Давайте начнем этот гелий потихонечку охлаждать и

смотреть, что при этом происходит. Смотреть просто глазами, никакие приборы нам не понадобятся. Обычно гелий охлаждают, понижая давление над его поверхностью. Для этого гелиевый пар откачивают с помощью специального насоса. Гелий испаряется и скрытая теплота испарения, которая при этом поглощается, приводит к охлаждению жидкости (каждый из нас, наверное, испытывал чувство холода, если подуть на мокрую руку). Гелий постепенно охлаждается и, когда он достигает температуры перехода, которая называется лямбда-точкой, процесс кипения внезапно и полностью прекращается. Жидкий гелий делается таким же спокойным, как вода в стакане. В нем исчезают все пузырьки. Выглядит это, как настоящее чудо и, конечно же, этот переход заметили почти сразу после того, как гелий удалось получить в жидком состоянии.

Очень наглядные и остроумные эксперименты, проведенные Капицей, показали, что это явление связано с практически полным исчезновением вязкости. Гелий становится бесконечно текучим и может протечь через любую, самую, тонкую щель, через любое отверстие. Все это выглядело очень загадочно и не имело никакого сколько-нибудь разумного объяснения. Было, правда, ясно, что это явление не может не иметь квантовой природы.

Все знают о существовании звуковых волн. Такие волны существуют во всех средах, включая и жидкости. Если нас интересуют явления квантовые, мы должны разбить наши волны на самые маленькие возможные порции. Такие квантовые частички звука в твердых телах и жидкостях называются фононами. Уже в те годы про фононы было многое известно. Было известно, например, что фононы, как световые фотоны, не имеют массы покоя. Так же, как и фотоны, фононы всегда двигаются с одной и той же скоростью, которая является скоростью звука. Для фононов, по аналогии с фотонами, можно ввести и импульс. Напомню, что импульс в механике, это произведение скорости на массу, но его можно получить и поделив удвоенную энергию (всем известное эМ-Вэ-квадрат-пополам) на скорость. Если построить зависимость энергии фононов от их импульса, получится прямая линия, проходящая через начало координат, как это показано на рисунке 1. Такая зависимость называется энергетическим спектром фононов.

Рис. 1.

Было достаточно понятно, что оперируя только фононами никакой сверхтекучести получить невозможно. Что же сделал Ландау в своей работе 1941 года?
– Он предположил, что в гелии, как и в любой жидкости, может существовать не только поступательное, но и вращательное движение. Если такое движение тоже квантуется, то должны существовать соответствующие кванты вращательного движения, которые Ландау, с легкой руки Игоря Евгеньевича Тамма, назвал "ротонами". Свойства вращательного движения в жидкости существенно отличаются от свойств поступательного. Зависимость энергии от импульса для этих гипотетических ротонов тоже показана на рисунке 1. Предположив одновременное существование и фотонов, и ротонов, Ландау продемонстрировал, что в такой системе могут наблюдаться явления, чрезвычайно похожие на экспериментально обнаруженную сверхтекучесть.

Должен сказать, что, хотя само предположение о вращательном происхождении ротонов оказалось ошибочным, квантовые частички, обладающие всеми свойствами придуманных ротонов в гелии действительно оказались. Было ли это случайностью?
– Отнюдь! Ландау нашел тот единственный вид спектра, который мог привести к сверхтекучести. Недоразумение с вращательным движением было исправлено в следующей работе Ландау (1948 год), где он проанализировал эксперименты В.П. Пешкова по распространению тепловых волн

в сверхтекучем гелии и понял, что в гелии нет двух типов квантовых частичек и нет двух кривых энергетического спектра. Энергетический спектр сверхтекучего гелия выглядит, как одна единственная кривая и он показан на рисунке 2. Как вы видите, тут есть и линейная часть, соответствующая фононам, и ротонный минимум. Через многие годы, когда экспериментаторы научились изучать энергетические спектры по рассеянию нейтронов, кривая, показанная на рисунке 2 и опубликованная Ландау в его статье 1948 года, полностью подтвердилась.

Рис. 2.

Скажу еще несколько слов о ротонах. Уж больно удивительные это частицы. Наклон кривой, показанной на рисунке 2, дает нам скорость движения частиц в реальном пространстве. Если мы возьмем ротон, находящийся в самом минимуме, то увидим, что его скорость (наклон кривой) равна нулю, а импульс не только нулю не равен, но и очень велик. Как же, спросите вы меня, это может получиться, если импульс равен произведению скорости на массу?
– Разбирать это здесь, увы, невозможно. Скажу только, что квантовая механика - это совершенно удивительная наука и в ней еще не такие "чудеса" возможны.

Это я говорил о тех ротонах, которые соответствуют минимуму на кривой, но, если взять те, которые слева от минимума, будет еще забавней. У них импульс направлен в сторону, противоположную скорости. Если, например, такая частица стукнет вас в лоб, вы почувствуете сильный толчок... вперед. А, если вы начнете толкать такой ротон направо, то он полетит... налево. Не подумайте - это не теоретические домыслы. Все это наблюдалось в многочисленных экспериментах.

Потрясающая это наука - физика! И мне очень повезло, что я ее выбрал своей специальностью!

***

Для тех, кто не читал это физическое отступление, скажу, что расчеты фононной теплоемкости, произведенные Мигдалом и использованные в работе Ландау с соответствующей ссылкой, служили для вспомогательных сравнений теоретических результатов с экспериментальными данными и никакого отношения к объяснению явления сверхтекучести не имеют.

***

Теперь еще немного о физике. О той ее части, которая называется "вихрями Абрикосова", и о роли Ландау в этой области. Дело в том, что эта тема стала, как я заметил, довольно популярным полигоном для переливания из пустого в порожнее. Один из вариантов этой истории я слышал от самого Алексея Алексеевича Абрикосова. Мне, правда, говорили, что в других компаниях он ее рассказывает несколько иначе, но сути дела это не меняет.

В 1957 году Абрикосов опубликовал работу, в которой предсказал существование "квантовых вихрей" в сверхпроводниках второго рода, которые и стали называться "вихрями Абрикосова". Эта работа получила всеобщее признание и была в 2003 году удостоена Нобелевской премии совместно с В.Л. Гинзбургом, который был отмечен за теорию, которая во всем мире известна, как теория Гинзбурга-Ландау, и Леггетом, создавшим теорию сверхтекучести гелия-3.

В чем же здесь проблема?
– В том, что Абрикосов утверждает, что идея квантовых вихрей в сверхпроводниках пришла ему в голову еще в 1953 году, но была отвергнута Ландау. Скорее всего, так оно и было. Что же, Ландау зажимал своих учеников?
– Нет, конечно. Существуют разные подходы к изучению физики. Подход школы Ландау был достаточно строгим и требовал, чтобы идеи, особенно идеи новые, были достаточно обоснованы. Идея, пока она не обоснована, это не результат, а лишь отправная точка для начала работы. Не удалось обосновать идею, пусть даже правильную, нет работы. Как я думаю, это и был случай с вихрями Абрикосова. У Алексея Алексеевича была идея и идея совершенно правильная, но он не смог убедить Ландау в ее обоснованности. У него оставалась возможность работать над этим дальше и таки найти обоснование, которое удовлетворило бы Ландау, но он решил иначе и занялся другими, не менее интересными для него вещами. Не надо забывать, что в 1953 году Абрикосову было всего 25 лет, а авторитет Ландау был огромен.