Film nadpłynny
Nadciekłość to zjawisko, w którym płyn lub część płynu traci całą swoją lepkość i może płynąć bez oporu. Ten artykuł dotyczy cienkich warstw takich nadcieczy .
nadciekły hel tworzy warstwę o grubości 30 nm na powierzchni dowolnego pojemnika. Właściwości filmu powodują, że hel wspina się po ściankach pojemnika i jeśli ten nie jest zamknięty, wypływa.
Nadciekłość i nadprzewodnictwo to makroskopowe przejawy mechaniki kwantowej . Te kwantowe przejścia fazowe cieszą się dużym zainteresowaniem, zarówno teoretycznym, jak i praktycznym . Wykonano ogromną pracę w dziedzinie przemian fazowych i zjawisk krytycznych w dwóch wymiarach. Duże zainteresowanie tą dziedziną wynika z faktu, że wraz ze wzrostem liczby wymiarów drastycznie maleje liczba dokładnie rozwiązywalnych modeli. [ wątpliwe ] W przypadku trzech lub więcej wymiarów należy zastosować podejście oparte na teorii średniego pola. [ wątpliwe ] Teoria przejść nadciekłych w dwóch wymiarach znana jest jako teoria Kosterlitza-Thoulessa (KT). Model 2D XY - w którym parametr rzędu charakteryzuje się amplitudą i fazą - jest klasą uniwersalności dla tego przejścia.
metody eksperymentalne
Przyglądając się przemianom fazowym w cienkich warstwach, w szczególności helu , dwie główne sygnatury eksperymentalne to frakcja nadciekła i pojemność cieplna . Gdyby którykolwiek z tych pomiarów miał zostać wykonany na warstewce nadciekłej w typowym otwartym pojemniku, sygnał błony zostałby przytłoczony przez sygnał tła z pojemnika. Dlatego podczas badania filmów nadciekłych niezwykle ważne jest badanie układu o dużej powierzchni, aby wzmocnić sygnał filmu. Można to zrobić na kilka sposobów. W pierwszej długi, cienki pasek materiału, np. folii PET jest zwinięty w konfigurację „jelly roll”. Rezultatem jest film, który jest długą ciągłą płaszczyzną, zwaną filmem planarnym. Drugim sposobem jest posiadanie wysoce porowatego materiału, takiego jak porowate złoto, Vycor lub Aerogel . W rezultacie powstaje wielokrotnie połączona folia, w której podłoże przypomina szwajcarski ser z połączonymi otworami. Wszystkie te porowate materiały mają niezwykle wysoki stosunek powierzchni do objętości. Trzecią metodą jest oddzielenie dwóch wyjątkowo płaskich płyt cienką przekładką, co ponownie skutkuje dużym stosunkiem powierzchni do objętości.
| Materiał | Powierzchnia (m2 / g) | Wielkość porów (nm) |
|---|---|---|
| Szkło Vycor | 250 | 4 |
| Porowate złoto | 100-200 | 100 |
| aerożel | 200-1000 | 20 |
Obraz SEM porowatego złota, 10 mikrometrów kwadratowych
Nadciekłą odpowiedź filmu można zmierzyć mierząc moment bezwładności . Nieodzownym narzędziem do tego celu jest oscylator skrętny, a wczesna konstrukcja została po raz pierwszy użyta przez Andronikashvili do wykrywania nadciekłości w masie płynu 4 On i później zmodyfikowany przez Johna Reppy'ego i współpracowników w Cornell w latach 70. W oscylatorze skrętnym objętość eksperymentalna jest zawieszona na drążku skrętnym i wprawiana w drgania w rezonansie poprzez sprzężenie pojemnościowe z żebrem lub parą żeber, w zależności od konfiguracji (pokazane poniżej na szaro). Kiedy część filmu stanie się nadpłynna, nie będzie już lepka i pozostanie w spoczynku w ramie laboratoryjnej, obniżając moment bezwładności komórki. Przypomnijmy, że okres rezonansowy oscylatora skrętnego wynosi . Dlatego obniżenie momentu bezwładności zmniejsza okres rezonansu oscylatora. Mierząc spadek okresu w funkcji temperatury i całkowite obciążenie filmu na podstawie wartości pustej komórki, można wywnioskować, jaka część filmu weszła w stan nadciekły. Typowy zestaw danych wyraźnie pokazujący odsprzęganie nadciekłości w filmach helu pokazano w ref. 2.
Oscylator skrętny z konfiguracją pojedynczej płetwy
Typowy oscylator skrętny ma częstotliwość rezonansową rzędu 1000 Hz. Odpowiada to maksymalnej prędkości podłoża w mikrometrach na sekundę. Podaje się, że prędkość krytyczna warstw helu jest rzędu 0,1 m/s. Dlatego w porównaniu z prędkością krytyczną oscylator jest prawie w spoczynku. Aby zbadać teorie dynamicznych aspektów cienkowarstwowych przejść fazowych, należy użyć oscylatora o znacznie wyższej częstotliwości. Mikrowaga z kryształu kwarcu zapewnia właśnie takie narzędzie o częstotliwości rezonansowej około 10 kHz. Zasady działania są takie same jak w przypadku oscylatora skrętnego. Kiedy cienka warstwa jest adsorbowana na powierzchni kryształu, częstotliwość rezonansowa kryształu kwarcu spada. Gdy kryształ jest schładzany przez przejście w stan nadciekły, stan nadciekły rozdziela się, a częstotliwość wzrasta.
Niektóre wyniki
Teoria KT została potwierdzona w serii eksperymentów Bishopa i Reppy'ego w płaskich filmach, tj. filmach helu na mylarze. W szczególności odkryli, że temperatura przejścia skalowana wraz z grubością filmu i przejściem w stanie nadciekłym występuje w filmach tak cienkich jak 5% monowarstwy. Niedawno odkryto, że w pobliżu temperatury przejścia, gdy długości korelacji przekraczają jakąkolwiek odpowiednią skalę długości w systemie, wielokrotnie połączona folia będzie zachowywać się jak system 3D w pobliżu swojego punktu krytycznego.
Zobacz też
Notatki
- Chan, MHW; Yanof, AW; Reppy, JD (17 czerwca 1974). „Nadciekłość ThinHe4Films”. Fizyczne listy przeglądowe . Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne (APS). 32 (24): 1347–1350. Bibcode : 1974PhRvL..32.1347C . doi : 10.1103/physrevlett.32.1347 . ISSN 0031-9007 .