З моменту експериментального відкриття надплинності Петром Капицею [1] і незалежно Джеком Аленом та Доном Майзене [2] пройшло 70 років, проте науковці не припиняють експериментальні та теоретичні дослідження цього явища.
До теперішнього часу не існує послідовної мікроскопічної теорії надплинності, хоча й встановлено фундаментальний зв’язок між явищем надплинності та явищем Бозе-Айнштайнівської конденсації [3, 4]. Натомість незвичні властивості надплинного гелію-4 (протікання гелію крізь вузькі капіляри без опору, термомеханічний та механокалоричний ефекти) пояснюються напівфеноменологічною дворідинною моделлю Ландау-Тісси [5, 6]. Згідно з цією моделлю надплинна рідина складається з двох взаємопроникних рідин: «нормальної рідини» (нормальної компоненти), яка поводить себе як класична рідина, та «надрідини» (надплинної компоненти) з нульовою в’язкістю та нульовою ентропією.
Стосовно експериментальних досліджень властивостей надплинного гелію-4 слід зауважити те, що найвидатніші відкриття були зроблені в кінці 30-х років піонерами надплинності. Зокрема: спостереження Капицею в 1938р. бездисипативного протікання гелію-4 крізь тонкі капіляри при температурах, нижчих ; відкриття Алленом та Майзене в 1938р. термомеханічного ефекту або ефекту фонтанування; відкриття Даунтом та Мендельсоном в 1939р. механокалоричного ефекту, який є зворотнім до термомеханічного.
В 2004 р. співробітник Фізико-Технічного Інституту Низьких Температур (м. Харків, Україна) А. Рибалко поставив експеримент для виявлення можливого зв’язку макроскопічного надплинного руху з електричними властивостями 4Не-ІІ. Результатом експерименту було те, що в надплинному гелії виникає електрична індукція при відносному русі надплинної і нормальної компонент [7]. Наступного року А. Рибалко та С. Рубец для збудження відносного руху надплинної і нормальної компонент використали методику торсіонного генератора, і знову була спостережена динамічна поляризація гелію [8].
Це явище отримало назву механоелектричного ефекту. Через кілька років був зафіксований зворотний ефект – резонансне поглинання мікрохвиль з одночасною появою другого звуку [9].
Нагадаємо, що виникнення електричної індукції в діелектрику пов’язане з двома чинниками: 1) наявністю електричних мультипольних моментів; 2) дією фактора який би поляризував ці моменти (наприклад, зовнішнє електричне поле, механічна напруга).
Однак, розподіл електронної густини в основному стані атома гелію сферично-симетричний і тому він не має постійного дипольного моменту, а експеримент Рибалко проводився без зовнішнього електричного поля. Тому експериментальне спостереження механоелектричного ефекту виявилось несподіванкою.
У даній роботі проведено аналіз відомих теоретичних моделей для пояснення механоелектричного ефекту, а також запропоновано феноменологічне обґрунтування можливого механізму виникнення ефекту. При цьому повне пояснення ефекту може дати лише досконала, послідовна мікроскопічна теорія.
Почнемо з розгляду твердження, що атом гелію в основному стані не має дипольного моменту. Воно має зміст лише для одиничного атома в основному стані, при відсутності зовнішніх збурюючих впливів. Для сильно-взаємодіючої системи, якою є рідина, твердження про відсутність дипольного моменту є некоректним. Ван дер Ваальсівська взаємодія, що є взаємодією миттєвих дипольних моментів, поляризує атоми. При цьому цей дипольний момент не буде постійним, і його середнє значення дорівнює нулю.
Зважаючи на те, що в бозе-конденсаті наявний далекий порядок, можна висунути припущення про можливість спонтанного впорядкування дипольних моментів у значних груп атомів (розмір групи залежить від температури), оскільки такий стан є енергетично вигідніший. Очевидно, що на межі груп з різними напрямками впорядкування, можуть виникнути певні нестиковки — і тоді там виникатимуть набагато більші дипольні моменти. Їхня величина, зміна з часом, та реакція на зовнішні впливи залишаються до кінця не з’ясованими. Ці властивості можуть бути виведеними з динаміки мікропроцесів взаємодії груп атомів. Важливо, що ці моменти створюються не окремими атомами, а їх групами, тому є набагато стійкішими ніж миттєві Ван дер Ваальсівські. Коли якийсь процес задає виділений напрямок, то їх орієнтація, не зважаючи на їхню нестійкість, відбувається з переважаючою ймовірністю саме в цьому напрямку. При цьому суттєво, щоб в цьому процесі динаміка електронних оболонок та ядер атомів чимось відрізнялась. Ці вимоги задовольняє прискорений рух однієї з компонент. Щоправда, це не гарантує величини результуючої напруженості поля, достатньої для її виявлення на досліді. Імовірно, вирішальну роль відіграє різка зміна ентропії, наприклад, що спостерігається при проходженні хвилі другого звуку. При цьому змінюється розмір областей, а отже і їх кількість, що ставить різні частини хвилі в неоднакові умови щодо поляризації інерційним ефектом. Крім того, чим вища температура системи тим хаотичніше орієнтовані дипольні моменти груп атомів.
При поширені хвилі першого звуку в різних частинах хвилі рідина рухається з рівними за модулем, але протилежними за напрямками прискореннями, а значить ті дипольні моменти, що виникнуть в результаті інерційного ефекту будуть скомпенсовані.
У хвилі другого звуку, внаслідок різних умов поляризації через різну температуру в різних частинах хвилі, результуючий дипольний момент буде відмінним від нуля, і може в принципі бути зареєстрованим на досліді.
Крім того, якщо в надплинному гелії справді реалізується описане вище впорядкування, то повинен спостерігатися новий ефект — висока діелектрична проникність при дуже низьких напруженостях зовнішнього поля (порядку тих напруженостей, які створюються Ван дер Ваальсівськими дипольними моментами одного атома в області де знаходиться сусідній атом).
Причина цього явища та сама, що й у сегнетоелектриків, тільки ці дипольні моменти нестійкі, і набагато менші за величиною, тому при порівняно великих значеннях зовнішнього поля буде спостерігатися насичення, бо відносний внесок цього механізму зі зростанням напруженості спадатиме, оскільки зростатиме пряма поляризація окремих атомів. Також внаслідок великого розміру цих груп, якщо їх розглядати в атомних масштабах повинна спостерігатися затримка переорієнтації, групових дипольних моментів при надто швидкій зміні поля, і при певній частоті, вони будуть змінюватися найбільш узгоджено, водночас при такій частоті буде спостерігатися резонансне поглинання електромагнітних хвиль, причому частота буде зменшуватися зі зростанням розміру груп, що відбувається при зниженні температури.
Список літератури:
1. Kapitza P. Viscosity of liquid Helium below the l point // Nature. – 1938. – Vol. 141. – P. 74.
2. Allen J., Misener A. The Fountain Effect // Nature. – 1938. – Vol. 141. – P. 75.
3. Pethick C. J., Smith H. Bose–Einstein Condensation in Dilute Gases. – Cambridge university press, 2002.
4. Griffin A. Bose condensation in atomic gases // Proc. of the Intern. School of Physics “Enrico Fermi”. – 1999. – Vol. 140. – P. 1.
5. Ландау Л. Теория сверхтекучести гелия-ІІ // ЖЭТФ. – 1941. – Вып. 11. – С. 592.
6. Патерман С. Гидродинамика сверхтекучей жидкости. – Москва, Мир, 1978.
7. Рыбалко А. Наблюдение электрической индукции, обусловленной волной второго звука в Не-ІІ // ФНТ. – 2004. – №30.–1321.
8. Рыбалко А., Рубец С. Наблюдение механоэлектрического эффекта в Не-ІІ // ФНТ. – 2005. – №31. – 820.
9. Rybalko A., Rubets S., Rudavskiy E., Tikhiy V., Tarapov S., Golovashchenko R. Derkach V. // arXiv:cond-mat/0704
inforum.in.ua@ukr.net