La superfluidez y la superconductividad son manifestaciones macroscópicas de la mecánica cuántica . Existe un interés considerable, tanto teórico como práctico, en estas transiciones de fase cuántica . Se ha realizado una enorme cantidad de trabajo en el campo de las transiciones de fase y los fenómenos críticos en dos dimensiones. [1] Gran parte del interés en este campo se debe a que a medida que aumenta el número de dimensiones, el número de modelos con solución exacta disminuye drásticamente. En tres o más dimensiones se debe recurrir a un enfoque de teoría de campo medio. La teoría de las transiciones de superfluidos en dos dimensiones se conoce como teoría de Kosterlitz-Thouless (KT). El modelo 2D XY- donde el parámetro de orden se caracteriza por una amplitud y una fase - es la clase de universalidad para esta transición.
metodos experimentales
Al observar las transiciones de fase en películas delgadas, específicamente helio , las dos firmas experimentales principales son la fracción superfluida y la capacidad calorífica . Si cualquiera de estas mediciones se hiciera en una película superfluida en un contenedor abierto típico, la señal de la película se vería superada por la señal de fondo del contenedor. Por lo tanto, al estudiar películas de superfluidos, es de suma importancia estudiar un sistema de gran superficie para mejorar la señal de la película. Hay varias maneras de hacer esto. En el primero, una tira larga y delgada de material, como una película de PET, se enrolla en una configuración de "rollo de gelatina". El resultado es una película que es un plano largo y continuo, denominado película plana. [2] Una segunda forma es tener un material altamente poroso como el oro poroso, Vycor o Aerogel . Esto da como resultado una película de múltiples conexiones donde el sustrato es muy parecido al queso suizo con los agujeros interconectados. [3] Todos estos materiales porosos tienen una relación de superficie a volumen extremadamente alta. Un tercer método consiste en separar dos placas extremadamente planas con un espaciador delgado, lo que nuevamente da como resultado una gran proporción de área de superficie a volumen.
Material | Superficie (m 2 / g) | Tamaño de poro (nm) |
---|---|---|
Vidrio Vycor | 250 | 4 |
Oro poroso | 100-200 | 100 |
Aerogel | 200-1000 | 20 |
Se puede medir la respuesta superfluida de la película midiendo el momento de inercia . Una herramienta indispensable para esto es el oscilador torsional, y Andronikashvili utilizó por primera vez el diseño inicial para detectar superfluidos en el fluido a granel 4 He y luego lo modificó John Reppy y sus colaboradores en Cornell en la década de 1970. En el oscilador de torsión, el volumen experimental se suspende mediante una barra de torsión y se hace oscilar en resonancia a través de un acoplamiento capacitivo con una aleta o un par de aletas, según la configuración (que se muestra a continuación en gris). Cuando parte de la película se vuelve superfluida, ya no tiene viscosidad y permanecerá en reposo en el marco del laboratorio, disminuyendo el momento de inercia de la celda. Recuerde que el período de resonancia de un oscilador de torsión es. Por lo tanto, reducir el momento de inercia reduce el período de resonancia del oscilador. Al medir la caída del período en función de la temperatura y la carga total de la película a partir del valor de la celda vacía, se puede deducir la fracción de la película que ha entrado en el estado superfluido. Un conjunto típico de datos que muestra claramente el desacoplamiento de superfluidos en las películas de helio se muestra en la ref. 2.
Oscilador de torsión con configuración de aleta única
Un oscilador de torsión típico tiene una frecuencia de resonancia del orden de 1000 Hz. Esto corresponde a una velocidad máxima del sustrato de micrómetros por segundo. Se informa que la velocidad crítica de las películas de helio es del orden de 0,1 m / s. Por lo tanto, en comparación con la velocidad crítica, el oscilador está casi en reposo. Para probar las teorías de los aspectos dinámicos de las transiciones de fase de película delgada, se debe usar un oscilador con una frecuencia mucho más alta. La microbalanza de cristal de cuarzo proporciona una herramienta de este tipo que tiene una frecuencia de resonancia de aproximadamente 10 kHz. Los principios de funcionamiento son muy parecidos a los de un oscilador de torsión. Cuando la película delgada se adsorbe sobre la superficie del cristal, la frecuencia de resonancia del cristal de cuarzo cae. A medida que el cristal se enfría a través de la transición de superfluido, el superfluido se desacopla y la frecuencia aumenta. [4]
Algunos resultados
La teoría KT ha sido confirmada en una serie de experimentos de Bishop y Reppy en películas planas, es decir, películas de helio sobre mylar. Específicamente, encontraron que la temperatura de transición escalada con el espesor de la película y la transición de superfluidos se encuentran en películas tan delgadas como el 5% de una monocapa. Más recientemente, se ha descubierto que cerca de la temperatura de transición, cuando las longitudes de correlación exceden cualquier escala de longitud relevante en el sistema, una película de múltiples conexiones se comportará como un sistema 3D cerca de su punto crítico. [5]
Ver también
Notas
- ^ David Thouless: Física de la materia condensada en menos de tres dimensiones. Ch. 7. La nueva física, Paul Davies, ed. Cambridge.
- ^ Obispo, DJ; Reppy, JD (26 de junio de 1978). "Estudio de la transición de superfluidos en películas bidimensionales de 4 He". Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 40 (26): 1727-1730. doi : 10.1103 / physrevlett.40.1727 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Berthold, JE; Bishop, DJ; Reppy, JD (8 de agosto de 1977). "Transición superfluida de películas de 4 He adsorbidas sobre vidrio Vycor poroso". Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 39 (6): 348–352. doi : 10.1103 / physrevlett.39.348 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Hieda, Mitsunori; Clark, Anthony C .; Chan, MHW (2004). "Estudio de microbalanza de cristal de cuarzo de películas superfluidas 4 He en oro y superficies porosas de oro". Revista de física de bajas temperaturas . Springer Nature. 134 (1/2): 91–96. doi : 10.1023 / b: jolt.0000012540.32796.e0 . ISSN 0022-2291 .
- ^ Chan, MHW; Blum, KI; Murphy, SQ; Wong, GKS; Reppy, JD (24 de octubre de 1988). "Trastorno y la transición de superfluidos en LiquidHe4". Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 61 (17): 1950-1953. doi : 10.1103 / physrevlett.61.1950 . ISSN 0031-9007 .
Referencias
- Chan, MHW; Yanof, AW; Reppy, JD (17 de junio de 1974). "Superfluidez de ThinHe4Films". Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 32 (24): 1347-1350. doi : 10.1103 / physrevlett.32.1347 . ISSN 0031-9007 .