Природа квантовой жидкости

Вещество переходит в состояние квантовой жидкости при очень низкой температуре, вблизи абсолютного нуля. Как следует из классической физики, при такой температуре атомы должны прекратить свое движение, образуя тем самым кристалл. Однако, в силу квантовых эффектов некоторые вещества с небольшой атомной массой и с высокой нулевой энергией (минимальная энергия системы) способны оставаться жидкостями.

Волны де Бройля – один из параметров, возникающий из математических глубин квантовой механики, который определяет плотность вероятности нахождения частицы в выбранном объеме конфигурационного пространства (пространство всех возможных значений всех параметров частицы). Чтобы заметить проявление квантовых эффектов в жидкости, требуется, чтобы длина волны де Бройля, вычисленная по энергии теплового движения частиц, была близка к значению расстояния между этими частицами. К примеру, для гелия подобное отношение будет возникать при температуре всего 2-3 К.

Как уже говорилось ранее, вещества с высокой нулевой энергией способны становиться квантовыми жидкостями при низких температурах. Высокая нулевая энергия подразумевает наличие колебаний частиц даже при сверхнизких температурах. Если же амплитуда этих колебаний близка к среднему расстоянию между частицами вещества, то оно сохранит свою жидкую форму.

В зависимости от частиц, составляющих жидкость, она может быть бозонной (состоять из бозонов) и фермионной (состоять из фермионов).

Сверхтекучесть и другие свойства

Бозонные квантовые жидкости способны протекать через узкие капилляры или щели без какого-либо трения, это свойство называется сверхтекучестью. Примечательно, что подобное явление наблюдается не только у квантовых жидкостей, но и в некоторых бозе-конденсатах и даже в твердом гелии.

Сверхтекучесть объясняется следующим образом. Как известно, из квантовой механики следует, что бозоны способны находиться в одном состоянии. Тогда при низкой температуре, когда скорость частиц относительно невысокая, бозонам более энергетически выгодно сливаться в одно состояние, нежели взаимодействовать со стенками сосуда, то есть переходить в иное состояние, при котором возникает трение.

Сверхтекучесть была экспериментально достигнута жидкостями таких веществ как гелий-II (2,172 К), гелий-3, гелий-4 и водород (0,15 К). Вероятнее всего в недрах нейтронных звезд вещество находится в сверхтекучем состоянии.

В отличие от бозе-жидкостей, обладающих сверхтекучестью, фермионные квантовые жидкости с понижением температуры все менее способны пропускать звук, который, как известно, передается посредством колебаний частиц.

Частицы, составляющие сверхтекучие жидкости обычно представляются в виде конденсата Бозе — Эйнштейна.