Ротон

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «Ротоны»)
Перейти к навигации Перейти к поиску
Ротон
Спектр элементарных возбуждений в жидком гелии
Состав Квазичастица
Классификация Биротон
Названа в честь От лат. roto — «вращаюсь, верчусь»
Количество типов 1

Рото́н (от лат. roto — «вращаюсь, верчусь») — элементарное возбуждение (квазичастица) в сверхтекучем 4He, связанное с атомной структурой сверхтекучего гелия и имеющее квадратичный спектр энергии около импульса , где  — характерное межатомное расстояние. Возникновение таких квазичастиц имеет особое влияние на поведение сверхтекучей жидкости в области температур около одного кельвина. Термин ввёл И. Е. Тамм[1].

Энергетический спектр возбуждений в 4He

[править | править код]

Энергетический спектр элементарных возбуждений в гелии имеет линейную зависимость в начальной части, локальный минимум (,), где соответствует температуре около 8,6 K. Элементарные возбуждения линейной части спектра принято называть фононами. Элементарные возбуждения в области, близкой к , называют ротонами.

Энергия фононов

[править | править код]

Фононы обладают линейным законом дисперсии. Энергия фононов связана с квазиимпульсом следующим простым выражением:

, где с ≈965 м/с — скорость звука в гелии.

Энергия ротонов

[править | править код]

Энергия ротонов вблизи локального минимума дисперсионной кривой имеет квадратичный вид[2]:

Здесь имеет значение порядка 8,6 K в температурных единицах энергии,  — эффективная масса. Расчётные значения положения минимума ротонной зоны спектра и эффективной массы ротонов[3]:

м−1, , где  — масса свободного атома гелия.

Критерий Ландау

[править | править код]

Физический смысл появления ротонов в энергетическом спектре соответствует появлению вихревого движения в сверхтекучей жидкости. И хотя сам вихрь существует бездиссипативно, но на его образование требуется энергия, которая теряется системой. Таким образом, возникает трение. Условием невозникновения таких квазичастиц является критерий сверхтекучести Ландау. Наглядно выполнение этого критерия для движения жидкости с заданной скоростью можно представить как отсутствие пересечения прямой с зависимостью энергетического спектра элементарных возбуждений. Наличие таких пересечений говорит о возможности возникновения квазичастиц соответствующей части энергетического спектра с одновременным выполнением законов сохранения импульса и энергии. Теоретически, условие бездиссипативного движения должно выполняться вплоть до скоростей около 80 м/с, но на практике сверхтекучесть нарушается при существенно более низких скоростях из-за высокоэнергетической части спектра.

Влияние на теплоёмкость и другие свойства

[править | править код]

Ротоны играют важную роль в свойствах сверхтекучего гелия при T ≈ 0,6 K. Они обусловливают существование слагаемых теплоёмкости, энтропии, нормальной плотности и др., экспоненциально зависящих от температуры. Так, теплоёмкость при температурах ниже 0,6 K имеет фононную температурную зависимость:

.

При температурах выше 0,6 K зависимость теплоёмкости меняется на экспоненциальную[4]:

.

Два ротона с противоположно направленными импульсами образуют связанное состояние — биротон, с орбитальным моментом L=2, энергией связи 0,25 K[4].

Примечания

[править | править код]
  1. Ротон в БСЭ. Дата обращения: 29 ноября 2009. Архивировано 5 ноября 2011 года.
  2. Локализованные состояния ротонов вблизи ионов в гелии II
  3. Исследование тепловой структуры гелия II с помощью рассеяния холодных нейтронов, Э. Л. Андроникашвили. Дата обращения: 29 ноября 2009. Архивировано 22 мая 2013 года.
  4. 1 2 Физическая энциклопедия / гл. ред. А. М. Прохоров. — Большая Российская энциклопедия, 1994. — Т. 4. — С. 400. — 704 с. — 40 000 экз. — ISBN 5-85270-087-8. Архивировано 14 марта 2012 года.