Kvantvätska

En kvantvätska hänvisar till vilket system som helst som uppvisar kvantmekaniska effekter på makroskopisk nivå såsom superfluider , supraledare , ultrakalla atomer , etc. Vanligtvis uppstår kvantvätskor i situationer där både kvantmekaniska effekter och kvantstatistiska effekter är signifikanta.

Det mesta är antingen fast eller gasformigt (vid låg densitet) nära absolut noll . Men för fallen med helium-4 och dess isotop helium-3 , finns det ett tryckområde där de kan förbli flytande ner till absoluta nollpunkten eftersom amplituden av kvantfluktuationerna som upplevs av heliumatomerna är större än de interatomära avstånden .

När det gäller fasta kvantvätskor är det bara en bråkdel av dess elektroner eller protoner som beter sig som en "vätska". Ett framträdande exempel är supraledning där kvasipartiklar som består av elektronpar och en fonon fungerar som bosoner som sedan kan kollapsa till grundtillståndet för att etablera en superström med en resistivitet nära noll.

Härledning

Kvantmekaniska effekter blir betydelsefulla för fysiken inom området för de Broglie-våglängden . För kondenserad materia är detta när de Broglie-våglängden för en partikel är större än avståndet mellan partiklarna i gittret som består av materien. De Broglie-våglängden associerad med en massiv partikel är

$\lambda ={\frac {h}{p}}$

där h är Planck-konstanten. Drivkraften kan hittas från den kinetiska teorin om gaser , där

$p=mv_{p}=m{\sqrt {2{\frac {k_{B}T}{m}}}} ={\sqrt {2mk_{B}T}}$

Här kan temperaturen hittas som

$k_{B}T={\frac {p^{2}}{2m}}$

Naturligtvis kan vi ersätta momentumet här med momentumet som härrör från de Broglie-våglängden så här:

$k_{B}T={\frac {h^{2}}{2m\lambda ^{2}}}$

Därför kan vi säga att kvantvätskor kommer att manifestera sig vid ungefärliga temperaturområden där ${\displaystyle \lambda >d} ,$ där d är gitteravståndet (eller mellanpartikelavståndet). Matematiskt står det så här:

$k_{B}T={\frac {h^{2}}{2m\lambda ^{2}}}<{\frac {h^{2}}{2md^{2}}}$

Det är lätt att se hur definitionen ovan relaterar till partikeldensiteten, n. Vi kan skriva

$k_{B}T<{\frac {h^{2}}{2m}}n^{\frac {2}{3}}$

som $d={\frac {1}{n^{3}}}$ för ett tredimensionellt gitter

Ovanstående temperaturgräns $T$ har olika betydelse beroende på kvantstatistiken som följs av varje system, men hänvisar generellt till den punkt där systemet uppvisar kvantvätskeegenskaper. För ett system av fermioner är $T$ en uppskattning av systemets Fermi-energi , där processer som är viktiga för fenomen som supraledning äger rum. För bosoner ger $T$ en uppskattning av Bose-Einsteins kondensationstemperatur .

Se även

• Bose–Einstein kondensat
• Superledningsförmåga
• Superfluiditet
• Klassisk vätska
• Flytande helium
• Fermi vätska
• Luttinger vätska
• Quantum spin vätska
• Makroskopiska kvantfenomen
• Topologisk ordning

1.   Lerner, Rita G. ; Trigg, George L. (1990). Encyclopedia of Physics . VHC förlag. ISBN 0-89573-752-3 .