Звук в сверхтекучем гелии

ЗВУК В СВЕРХТЕКУЧЕМ ГЕЛИИ, гидродинамические волны, распространяющиеся в сверхтекучем гелии (HeII). Согласно Ландау теории сверхтекучести (двухкомпонентной модели HeII) сверхтекучая жидкость характеризуется двумя скоростями v_s и v_n - скоростями сверхтекучей и нормальной компонент жидкого Hell. Появление дополнительной гидродинамической переменной v_s приводит к возникновению новых, по сравнению с классическими гидродинамическими системами, типов звука. Типы возможных звуковых волн и скорости их распространения зависят также от геометрических параметров гелиевой системы и количества примеси ³Не.

В объёме сверхтекучего ⁴Не могут распространяться волны двух типов - первый и второй звук. Волны первого типа аналогичны звуку в обычной жидкости и представляют собой в основном распространяющиеся колебания плотности ρ и давления р. Специфической особенностью HeII является существование второго звука - тепловых волн: распространяющихся колебаний температуры Т и энтропии S (в обычных средах температурные колебания затухают на расстоянии порядка длины волны). Поскольку коэффициент теплового расширения (∂р/∂Т)_р гелия аномально мал, колебания плотности (давления) и температуры (энтропии) оказываются практически независимыми. При низких температурах, не слишком близких к температуре исчезновения сверхтекучести гелия, нормальная компонента представляет собой газ квазичастиц (элементарных возбуждений системы), а второй звук - звуковые волны в газе квазичастиц. Существование второго звука и скорость его распространения предсказали независимо Л. Д. Ландау (1941) и французский физик Л. Тиса (1938); метод его генерации предложил Е. М. Лифшиц (1944). Экспериментально второй звук был обнаружен российским физиком В. П. Пешковым (1944).

На поверхности сверхтекучего гелия может распространяться поверхностный второй звук - звуковые колебания в системе поверхностных возбуждений. Для чистого HeII это звук в системе квазичастиц, соответствующих квантованным капиллярным волнам на поверхности HeII. Поверхностный второй звук, предсказанный А. Ф. Андреевым и российским физиком Д. А. Компанейцем (1972), был обнаружен в растворе ³Не-HeII американским учёными (1974).

В тонких сверхтекучих гелиевых плёнках распространяется третий звук - практически изотермические поверхностные волны в плёнке HeII. Распространение третьего звука сопровождается осцилляциями сверхтекучей компоненты параллельно подложке, а нормальная компонента при не очень толстой плёнке тормозится подложкой и в колебаниях не участвует. Существенной особенностью третьего звука является значительное испарение и конденсация гелия при колебаниях, что сглаживает осцилляции температуры и приводит к почти изотермическому характеру распространения волны.

Четвёртый звук распространяется в HeII, находящемся в узких капиллярах или в мелкопористой среде, когда длина свободного пробега квазичастиц HeII сравнима или заметно превосходит характерный размер в системе. При этом нормальная компонента жидкости неподвижна (v_n = 0). При низких температурах скорость распространения четвёртого звука как в чистом ⁴Не, так и в слабых растворах ³Не в HeII близка к скорости первого звука.

Пятый звук представляет собой тепловые (температурные) волны в сверхтекучих гелиевых плёнках в условиях, когда процессы испарения (конденсации) в плёнке подавлены.

Лит.: Халатников И. М. Теория сверхтекучести. М., 1971; Паттерман С. Гидродинамика сверхтекучей жидкости. М., 1978.