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ちょう流動りゅうどう

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He IIは、容器ようきかべを「よじのぼる」ことで内側うちがわ容器ようき中外ちゅうがいにおける水平面すいへいめんたかさを共通きょうつうたもとうとする。しばらくつと内側うちがわ容器ようきにおける水面すいめん外側そとがわ容器ようきにおける水面すいめんひとしいたかさになる。このときローリンまく (en:Rollin film) が外側そとがわ容器ようき内壁ないへきおおっている。外側そとがわ容器ようき密封みっぷうされていないとHe IIはそとれてしまう。

ちょう流動りゅうどう(ちょうりゅうどう、えい: superfluidity)とは、ごく低温ていおんにおいて液体えきたいヘリウム流動りゅうどうせいたかまり、容器ようき壁面へきめんをつたってそとあふたり、原子げんしいちとおれる程度ていど隙間すきま浸透しんとうしたりする現象げんしょう量子りょうし効果こうか巨視的きょしてきあらわれたものである。1937ねんヘリウム4ちょう流動りゅうどうせいしめすことをピョートル・カピッツァ発見はっけんした。また、ボース=アインシュタイン凝縮ぎょうしゅくときにもこる。

液体えきたいヘリウム4のちょう流動りゅうどう[編集へんしゅう]

ヘリウム4は、れいてん振動しんどう効果こうかにより低温ていおん液化えきかしても、絶対ぜったいれいいたるまで液体えきたいのままで存在そんざいする。つまり、固体こたいにはならない。そして、2.17 K比熱ひねつびがあり、あい転移てんいこしちょう流動りゅうどう状態じょうたいとなる。この転移てんい温度おんどのことを比熱ひねつびのかたちからλらむだてんという。

ちょう流動りゅうどう状態じょうたいでは、ヘリウム4は粘性ねんせいが0の状態じょうたい(He IIしょう)になっており、かべのぼっていったり、原子げんしいちとおれる隙間すきまさえあればそこからす。ただ、有限ゆうげん温度おんど領域りょういきではつね流体りゅうたい普通ふつう液体えきたいとしての性質せいしつしめす:He Iしょう)とちょう流体りゅうたい粘性ねんせいゼロ:He IIしょう)が共存きょうぞんしている(→流体りゅうたい理論りろん)。ちょう流体りゅうたい状態じょうたいでは、ボース粒子りゅうしであるヘリウム4がボース凝縮ぎょうしゅくしている。

ちょう流体りゅうたい部分ぶぶんがボース凝縮ぎょうしゅくしているのではないかということは、1938ねんフリッツ・ロンドンによって最初さいしょ指摘してきされた。ロンドンは、ヘリウム4原子げんし理想りそうボース気体きたいとみなして、ちょう流動りゅうどう転移てんい温度おんどボース凝縮ぎょうしゅく温度おんどとし、その理論りろん3.13Kをみちびいた。この実験じっけん観測かんそく2.17Kにちかえる。のずれは、ちょう流動りゅうどう状態じょうたいにあるヘリウム4は液体えきたい状態じょうたいであり、理想りそうボース気体きたいとはことなる状態じょうたいであること、ヘリウム原子げんしあいだ相互そうご作用さよう原子げんし同士どうし接近せっきんしたときにはたらつよ斥力せきりょく影響えいきょうなどによる。理想りそうボース気体きたいでは、粒子りゅうしあいだ相互そうご作用さよう考慮こうりょしていないが、その相互そうご作用さようのある場合ばあいへの理論りろんてき拡張かくちょうおこなわれている。ただ、理想りそうボース気体きたいでのボース凝縮ぎょうしゅく状態じょうたいへのあい転移てんいさんあい転移てんいであるが、ヘリウム4(ヘリウム3も同様どうよう)のちょう流動りゅうどうへの転移てんいあい転移てんいである。この部分ぶぶんたいする理論りろんめんからの解釈かいしゃくはまだ十分じゅうぶんなされていない。

また、ちょう流動りゅうどう状態じょうたいでは非常ひじょうたかねつ伝導でんどうせいしめす。これは、熱源ねつげんたいしてヘリウム4のうちのちょう流動りゅうどう成分せいぶんちかづくように、つね流動りゅうどう成分せいぶんとおざかるように運動うんどうするためである(一種いっしゅ対流たいりゅうであるとえる)。このたかねつ伝導でんどうせいにより、ちょう流動りゅうどうヘリウムは全体ぜんたいねつてき非常ひじょう均一きんいつになっている。

液体えきたいヘリウム3のちょう流動りゅうどう[編集へんしゅう]

ヘリウム3は、ヘリウム4とことなりフェルミ粒子りゅうしである(1/2のかくスピンつ)ので、1972ねん、オシェロフ、リチャードソン、リーひとし発見はっけんするまでちょう流動りゅうどう現象げんしょう観測かんそくされなかった。

ヘリウム3でのちょう流動りゅうどう転移てんいする温度おんどは、34気圧きあつで2.6mK(ミリケルビン)、0気圧きあつでおよそ1mKと、ヘリウム4とくらべて非常ひじょうひくい。これは、ヘリウム3がフェルミ粒子りゅうしで、そのままでは凝縮ぎょうしゅく状態じょうたいとならないためである。ヘリウム3がちょう流動りゅうどうになるためには、ちょう伝導でんどう場合ばあい同様どうように2のヘリウム3がたい(ペア:この場合ばあいもクーパーペア(クーパーたい)ということがある)をしてたい凝縮ぎょうしゅくする必要ひつようがある。ただちょう伝導でんどう場合ばあいことなるのは、通常つうじょうBCS理論りろんわくないちょう伝導でんどうでは、電子でんしたいがsなみいちじゅうこう (L=0, S=0) なのにたいし、ヘリウム3のたいはpなみさんじゅうこう (L=1, S=1) となっている。ヘリウム3のたい形成けいせいする駆動くどうりょく従来じゅうらいがたちょう伝導でんどうにおけるフォノンに相当そうとう)は、スピンのゆらぎおもわれている。

なお、ヘリウム3のちょう流動りゅうどう機構きこうは、ちょう伝導でんどう(BCS理論りろん)ほどには理論りろんめんでの詳細しょうさい解明かいめいがなされていない。

歴史れきし[編集へんしゅう]

ヘリウム4の粘性ねんせいごく低温ていおん消失しょうしつすることは1937ねんにカピッツァ[1]および独立どくりつJohn F. Allen & Don Misener[2]によって実験じっけんてき確認かくにんされた[3]。そのすぐにフリッツ・ロンドンはこの現象げんしょうボース=アインシュタイン凝縮ぎょうしゅくあらわれであると指摘してきした[4][3]。1941ねんレフ・ランダウ流体りゅうたい励起れいきのスペクトルにもとづいてちょう流動りゅうどう理論りろん構築こうちく[5][6]、1940ねんLászló Tiszaによって提案ていあんされた[7]ちょう流動りゅうどう流体りゅうたいモデル理論りろんてき基礎きそあたえた[3]ニコライ・ボゴリューボフは1947ねん相互そうご作用さようのあるボース気体きたいについてろんじている[8][3]オリバー・ペンローズたいかく長距離ちょうきょり秩序ちつじょという概念がいねんを1951ねん導入どうにゅうした[9][10][3]

脚注きゃくちゅう[編集へんしゅう]

  1. ^ Kapitza, P. (1938). “Viscosity of Liquid Helium below the λらむだ-Point”. Nature 141 (3558): 74–74. doi:10.1038/141074a0. ISSN 0028-0836. 
  2. ^ Allen, J. F.; Misener, A. D. (1938). “Flow of Liquid Helium II”. Nature 141 (3558): 75–75. doi:10.1038/141075a0. ISSN 0028-0836. 
  3. ^ a b c d e Pitaevskii & Strigari 2016, p. 1.
  4. ^ London, F. (1938). “The λらむだ-Phenomenon of Liquid Helium and the Bose-Einstein Degeneracy”. Nature 141 (3571): 643–644. doi:10.1038/141643a0. ISSN 0028-0836. 
  5. ^ Landau, L. D.. J. Phys. USSR 5: 71. 
  6. ^ Landau, L. (1941). “Theory of the Superfluidity of Helium II”. Physical Review 60 (4): 356–358. doi:10.1103/PhysRev.60.356. ISSN 0031-899X. 
  7. ^ Tisza, L. (1940). “Sur la théorie des liquides quantiques. Application à l'hélium liquide. II”. Journal de Physique et le Radium 1 (8): 350–358. doi:10.1051/jphysrad:0194000108035000. ISSN 0368-3842. 
  8. ^ Bogoliubov, N. N. (1947). 11. p. 23. 
  9. ^ Penrose, O. (1951). “CXXXVI. On the quantum mechanics of helium II”. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science 42 (335): 1373–1377. doi:10.1080/14786445108560954. ISSN 1941-5982. 
  10. ^ Penrose, Oliver; Onsager, Lars (1956). “Bose-Einstein Condensation and Liquid Helium”. Physical Review 104 (3): 576–584. doi:10.1103/PhysRev.104.576. ISSN 0031-899X. 

参考さんこう文献ぶんけん[編集へんしゅう]

関連かんれん項目こうもく[編集へんしゅう]

外部がいぶリンク[編集へんしゅう]