Квантовый вихрь - Quantum vortex

Вихри в слое толщиной 200 нм. YBCO фильм создан сканирующая СКВИД-микроскопия^[1]

В физика, а квантовый вихрь представляет собой квантованную циркуляцию потока некоторой физической величины. В большинстве случаев квантовая вихри являются разновидностью топологический дефект выставлен в сверхтекучие жидкости и сверхпроводники. Существование квантовых вихрей было впервые предсказано Ларс Онсагер в 1949 г. в связи со сверхтекучим гелием.^[2] Онсагер рассуждал, что квантование завихренности является прямым следствием существования сверхтекучего параметра порядка как пространственно непрерывной волновой функции. Онзагер также указал, что квантовые вихри описывают циркуляцию сверхтекучей жидкости, и предположил, что их возбуждения ответственны за сверхтекучие фазовые переходы. Эти идеи Онзагера получили дальнейшее развитие Ричард Фейнман в 1955 г.^[3] а в 1957 г. были применены для описания магнитной фазовой диаграммы сверхпроводников второго рода: Алексей Алексеевич Абрикосов.^[4] В 1935 году Фриц Лондон опубликовал очень близкую по теме работу по квантованию магнитного потока в сверхпроводниках. Флюксоид Лондона также можно рассматривать как квантовый вихрь.

Квантовые вихри экспериментально наблюдаются в сверхпроводники второго типа (в Вихрь абрикосова ), жидкость гелий, и атомные газы^[5] (видеть Конденсат Бозе – Эйнштейна ), а также в фотон поля (оптический вихрь ) и экситон-поляритон сверхтекучие жидкости.

В сверхтекучей жидкости квантовый вихрь «несет» квантованную орбитальную угловой момент, позволяя сверхтекучей жидкости вращаться; в сверхпроводник, вихрь несет квантованные магнитный поток.

Термин «квантовый вихрь» также используется при изучении проблем нескольких тел.^[6][7] Под Теория де Бройля – Бома, из волновой функции можно вывести «поле скорости». В этом контексте квантовые вихри представляют собой нули на волновой функции, вокруг которых это поле скорости имеет соленоидный форма, похожая на форму безвихревого вихря на потенциальных потоках традиционной гидродинамики

Вихревое квантование в сверхтекучей жидкости

В сверхтекучей жидкости квантовый вихрь представляет собой дырку, в которой сверхтекучая жидкость циркулирует вокруг оси вихря; внутри вихря могут находиться возбужденные частицы, воздух, вакуум и т. д. Толщина вихря зависит от множества факторов; в жидкости гелий, толщина порядка нескольких Ангстремы.

А сверхтекучий имеет особое свойство иметь фазу, заданную волновая функция, а скорость сверхтекучей жидкости пропорциональна градиент фазы (в приближении параболической массы). В обращение вокруг любого замкнутого контура в сверхтекучей жидкости равна нулю, если окруженная область односвязный. Считается сверхтекучей безвихревый; однако, если замкнутая область фактически содержит меньшую область с отсутствием сверхтекучей жидкости, например стержень через сверхтекучую среду или вихрь, тогда циркуляция будет:

${displaystyle oint _{C}mathbf {v} cdot ,dmathbf {l} ={frac {hbar }{m}}oint _{C}abla phi _{v}cdot ,dmathbf {l} ={frac {hbar }{m}}Delta ^{tot}phi _{v},}$

куда ${displaystyle hbar }$ является Постоянная Планка деленное на ${displaystyle 2pi }$, m - масса сверхтекучей частицы, а ${displaystyle Delta ^{tot}phi _{v}}$ - полная разность фаз вокруг вихря. Поскольку волновая функция должна вернуться к своему значению после целого числа оборотов вокруг вихря (аналогично тому, что описано в Модель Бора ), тогда ${displaystyle Delta ^{tot}phi _{v}=2pi n}$, где n - целое число. Таким образом, тираж квантуется:

${displaystyle oint _{C}mathbf {v} cdot ,dmathbf {l} equiv {frac {2pi hbar }{m}}n}$.

Квантование потока Лондона в сверхпроводнике

Основное свойство сверхпроводники это они изгоняют магнитные поля; это называется Эффект Мейснера. Если магнитное поле становится достаточно сильным, в некоторых случаях оно «гасит» сверхпроводящее состояние, вызывая фазовый переход. В других случаях, однако, для сверхпроводника будет энергетически выгодно образовывать решетку квантовых вихрей, которые переносят квантованный магнитный поток через сверхпроводник. Сверхпроводник, способный поддерживать вихревые решетки, называется сверхпроводник II типа, вихревое квантование в сверхпроводниках является общим.

Над некоторым замкнутым пространством S магнитный поток является

${displaystyle Phi =iint _{S}mathbf {B} cdot mathbf {hat {n}} ,d^{2}x=oint _{partial S}mathbf {A} cdot dmathbf {l} ,}$ куда ${displaystyle mathbf {A} }$ - векторный потенциал магнитной индукции ${displaystyle mathbf {B} .}$

Подставляя результат Уравнение Лондона: ${displaystyle mathbf {j} _{s}=-{frac {n_{s}e_{s}^{2}}{m}}mathbf {A} +{frac {n_{s}e_{s}hbar }{m}}mathbf {abla } phi }$, находим (с ${displaystyle mathbf {B} =mathrm {curl} ,,mathbf {A} }$):

${displaystyle Phi =-{frac {m}{n_{s}e_{s}^{2}}}oint _{partial S}mathbf {j} _{s}cdot dmathbf {l} +{frac {hbar }{e_{s}}}oint _{partial S}mathbf {abla } phi cdot dmathbf {l} }$,

куда п_s, м, и е_s - соответственно плотность, масса и заряд Куперовские пары.

Если область S достаточно велика, чтобы ${displaystyle mathbf {j} _{s}=0}$ вдоль ${displaystyle partial S}$, тогда

${displaystyle Phi ={frac {hbar }{e_{s}}}oint _{partial S}mathbf {abla } phi cdot dmathbf {l} ={frac {hbar }{e_{s}}}Delta ^{tot}phi ={frac {2pi hbar }{e_{s}}}n.}$

Поток тока может вызвать движение вихрей в сверхпроводнике, вызывая электрическое поле из-за явление электромагнитной индукции. Это приводит к рассеянию энергии и заставляет материал отображать небольшое количество электрическое сопротивление находясь в сверхпроводящем состоянии.^[8]

Сдержанные вихри в ферромагнетиках и антиферромагнетиках

Вихревые состояния в ферромагнетике или антиферромагнетике также важны, в основном для информационных технологий.^[9] Они исключительны, поскольку в отличие от сверхтекучих жидкостей или сверхпроводящих материалов математика более тонкая: вместо обычного уравнения типа ${displaystyle operatorname {curl} {vec {v}}(x,y,z,t)propto {vec {Omega }}(mathrm {r} ,t)cdot delta (x,y),}$ куда ${displaystyle {vec {Omega }}(mathrm {r} ,t)}$ - завихренность в пространственной и временной координатах, а где ${displaystyle delta (x,y)}$ это Функция Дирака, надо:

${displaystyle operatorname {curl} ,{vec {v}}(x,y,z,t)propto {vec {m}}_{mathrm {eff} }(mathrm {r} ,t)cdot delta (x,y) (eqn.*),}$

где сейчас в любой момент и в любое время есть ограничение ${displaystyle m_{x}^{2}(mathrm {r} ,t)+m_{y}^{2}(mathrm {r} ,t)+m_{z}^{2}(mathrm {r} ,t)equiv M_{0}^{2}}$. Здесь ${displaystyle M_{0}}$ постоянно, постоянная величина непостоянного вектора намагниченности ${displaystyle {vec {m}}(x,y,z,t)}$. Как следствие вектор ${displaystyle {vec {m}}}$ в ур. (*) был изменен на более сложный объект ${displaystyle {vec {m}}_{mathrm {eff} }}$. Это приводит, среди прочего, к следующему факту:

В ферромагнетике или антиферромагнитном материале вихрь можно перемещать для генерации битов для хранения и распознавания информации, соответствующих, например, изменениям квантового числа. п.^[9] Но хотя намагниченность имеет обычное азимутальное направление, и хотя квантование завихренности происходит как в сверхтекучих жидкостях, до тех пор, пока круговые линии интегрирования окружают центральную ось на достаточно большом перпендикулярном расстоянии, эта кажущаяся намагниченность вихря будет изменяться с расстоянием от азимутального направления. к восходящему или нисходящему, как только приблизится к центру вихря.

Таким образом, для каждого направленного элемента ${displaystyle mathrm {d} varphi ,mathrm {d} vartheta }$ теперь есть не два, а четыре бита, которые должны быть сохранены при изменении завихренности: первые два бита относятся к направлению вращения, по или против часовой стрелки; оставшиеся три и четыре биты относятся к поляризации центральной сингулярной линии, которая может быть поляризована вверх или вниз. Изменение вращения и / или поляризации требует незначительного топология.^[10]

Статистическая механика вихревых линий

Как впервые было сказано Онзагером и Фейнманом, если температура в сверхтекучий или сверхпроводник поднимается, вихревые петли испытывают фазовый переход второго рода. Это происходит, когда конфигурационный энтропия преодолеваетФактор Больцмана подавляет тепловое или тепловыделение вихревых линий. конденсат. Поскольку центр линий, вихревые ядра, нормальные жидкие или нормальные проводники соответственно, конденсация преобразует сверхтекучий или же сверхпроводник в нормальное состояние. Ансамбли вихревых линий и их фазовые переходы эффективно описываются калибровочная теория.

Статистическая механика точечных вихрей

В 1949 году Онзагер проанализировал игрушечную модель, состоящую из нейтральной системы точечных вихрей, ограниченных конечной площадью.^[2]. Он смог показать, что благодаря свойствам двумерные точечные вихри ограниченная область (и, следовательно, ограниченное фазовое пространство), позволяет системе проявлять отрицательные температуры. Онзагер впервые предсказал, что некоторые изолированные системы могут иметь отрицательную температуру Больцмана. Предсказание Онзагера подтвердилось экспериментально для системы квантовых вихрей в конденсате Бозе-Эйнштейна в 2019 г.^[11][12].

Парные взаимодействия квантовых вихрей

В нелинейной квантовой жидкости динамика и конфигурации ядер вихрей могут быть изучены с точки зрения эффективных парных взаимодействий вихрь-вихрь. Предполагается, что эффективный межвихревой потенциал влияет на квантовые фазовые переходы и приводит к появлению различных маловихревых молекул и многочастичных вихрей.^[13].Предварительные эксперименты в конкретной системе экситон-поляритоны жидкости показали эффективную межвихревую динамику притяжения-отталкивания между двумя соприкасающимися вихрями, составляющая притяжения которой может модулироваться величиной нелинейности в жидкости.^[14]

Спонтанные вихри

Квантовые вихри могут образовываться через Механизм Киббла-Зурека. Поскольку при резком охлаждении образуется конденсат, образуются отдельные протоконденсаты с независимыми фазами. По мере слияния этих фазовых доменов квантовые вихри могут быть захвачены возникающим параметром порядка конденсата. Спонтанные квантовые вихри наблюдались в атомных конденсатах Бозе-Эйнштейна в 2008 году.^[15]

Смотрите также

• Физический портал

• Вихрь
• Оптический вихрь
• Макроскопические квантовые явления
• Вихрь абрикосова
• Джозефсоновский вихрь
• Дробные вихри
• Сверхтекучий гелий-4
• Сверхтекучая пленка
• Сверхпроводник
• Сверхпроводник II типа
• Сверхпроводник типа 1.5
• Квантовая турбулентность
• Конденсат Бозе – Эйнштейна
• Отрицательная температура

Рекомендации

1. Wells, Frederick S .; Пан, Алексей В .; Ван, X. Реншоу; Федосеев, Сергей А .; Хильгенкамп, Ганс (2015). «Анализ низкополевого изотропного вихревого стекла, содержащего вихревые группы в YBa.₂Cu₃О_7-х тонкие пленки, визуализированные с помощью сканирующей СКВИД-микроскопии ». Научные отчеты. 5: 8677. arXiv:1807.06746. Bibcode:2015НатСР ... 5E8677W. Дои:10.1038 / srep08677. ЧВК  4345321. PMID  25728772.
2. Онсагер, Л. (1949). «Статистическая гидродинамика». Il Nuovo Cimento. 6 (Дополнение 2) (2): 279–287. Bibcode:1949NCim .... 6S.279O. Дои:10.1007 / BF02780991. ISSN  1827-6121.
3. Фейнман, Р. П. (1955). «Приложение квантовой механики к жидкому гелию». Прогресс в физике низких температур. 1: 17–53. Дои:10.1016 / S0079-6417 (08) 60077-3. ISBN  978-0-444-53307-4.
4. *Абрикосов, А.А. (1957) "О магнитных свойствах сверхпроводников второй группы. ЖЭТФ 5: 1174–1182 и Ж. эксп. И теория физ. 32: 1442–1452.
5. Matthews, M. R .; Anderson, B.P .; Haljan, P.C .; Холл, Д. С; Wieman, C.E .; Корнелл, Э. А. (1999). «Вихри в конденсате Бозе-Эйнштейна». Письма с физическими проверками. 83 (13): 2498–2501. arXiv:cond-mat / 9908209. Bibcode:1999ПхРвЛ..83.2498М. Дои:10.1103 / PhysRevLett.83.2498.
6. Macek, J. H .; Sternberg, J. B .; Овчинников, С.Ю .; Бриггс, Дж. С. (20 января 2010 г.). "Теория глубоких минимумов в $ (e, 2e) $ измерениях тройных дифференциальных сечений". Письма с физическими проверками. 104 (3): 033201. Bibcode:2010PhRvL.104c3201M. Дои:10.1103 / PhysRevLett.104.033201. PMID  20366640.
7. Наваррете, Франция; Пикка, Р. Делла; Fiol, Дж; Баррачина, Р. О. (2013). «Вихри при ионизационных столкновениях при ударе позитрона». Журнал физики B: атомная, молекулярная и оптическая физика. 46 (11): 115203. arXiv:1302.4357. Bibcode:2013JPhB ... 46k5203N. Дои:10.1088/0953-4075/46/11/115203.
8. «Первые вихревые« цепочки »наблюдаются в искусственном сверхпроводнике». Physorg.com. 20 июня 2017 г.. Получено 2011-03-23.
9. Магнитные вихри в нанодисках раскрывают информацию. Phys.org (3 марта 2015 г.).
10. Пилиповский, О. и другие. (Январь 2015 г.) «Переключение полярности в магнитах с поверхностной анизотропией.. arxiv.org
11. Gauthier, G .; Ривз, М. Т .; Yu, X .; Брэдли, А. С .; Бейкер, М. А .; Bell, T. A .; Rubinsztein-Dunlop, H .; Дэвис, М. Дж .; Нили, Т. У. (2019). «Гигантские вихревые скопления в двумерной квантовой жидкости». Наука. 364 (6447): 1264–1267. arXiv:1801.06951. Bibcode:2019Научный ... 364.1264G. Дои:10.1126 / science.aat5718. PMID  31249054.
12. Johnstone, S.P .; Groszek, A.J .; Старки, П. Т .; Billinton, C.J .; Simula, T. P .; Хелмерсон, К. (2019). «Эволюция крупномасштабного потока из турбулентности в двумерной сверхтекучей жидкости». Наука. 365 (6447): 1267–1271. arXiv:1801.06952. Bibcode:2019Научный ... 364.1267J. Дои:10.1126 / science.aat5793. PMID  31249055.
13. Zhao, H.J .; Misko, V. R .; Tempere, J .; Нори, Ф. (2017). «Формирование структуры в вихревой материи с пиннингом и нарушенными межвихревыми взаимодействиями». Phys. Ред. B. 95 (10): 104519. arXiv:1704.00225. Bibcode:2017PhRvB..95j4519Z. Дои:10.1103 / PhysRevB.95.104519.
14. Dominici, L; Карретеро-Гонсалес, Р. Джанфрате, А; и другие. (2018). «Взаимодействие и рассеяние квантовых вихрей в поляритонной жидкости». Nature Communications. 9: 1467. arXiv:1706.00143. Bibcode:2018НатКо ... 9.1467D. Дои:10.1038 / s41467-018-03736-5. PMID  29654228.
15. Weiler, C.N .; Neely, T. W .; Scherer, D. R .; Брэдли, А. С .; Дэвис, М. Дж .; Андерсон, Б. П. (2009). «Спонтанные вихри при образовании конденсатов Бозе-Эйнштейна». Природа. 455 (7215): 948–951. arXiv:0807.3323. Дои:10.1038 / природа07334.