超流氦四的臨界速度對壓強的依賴性的理論和實驗研究

《超流氦四的臨界速度對壓強的依賴性的理論和實驗研究》是依託中國科學院精密測量科學與技術創新研究院，由余永樂擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：超流氦四的臨界速度對壓強的依賴性的理論和實驗研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：余永樂
• 依託單位：中國科學院精密測量科學與技術創新研究院

項目摘要

朗道理論預言超流氦的臨界速度Vc約為60m/s，與實驗得到的Vc（最大值為幾米每秒）相差數倍，這個理論和實驗的不符提醒著超流的基礎物理有很重要的細節沒有搞清楚。本項目將從理論和實驗兩方面研究超流氦的Vc對壓強的依賴性，對超流的基礎物理圖像進行補充。在理論上我們認識到Vc對壓強的依賴性和如下重要物理圖像相聯繫：當液氦與環境出現摩擦和進行能動量交換時，每次量子交換中改變的動量是大動量（相當於體系對應的費米動量），還是遠小於費米動量的小動量；如果臨界速度隨壓強增大而減小，則是前者，反之則是後者。在實驗上採用 Gervais小組的測量穿過納米小孔的液氦質量方法（PRL 107，254501）來獲得50mK以下的Vc及其對壓強的依賴性，該方法採用了新技術，直接穩定可靠，能夠準確地達到實驗目的。申請人曾闡明超流是由玻色子交換對稱性導致的量子效應，發表論文中和超流相關的有四篇PRL和一篇Science.

結題摘要

項目主持人十幾年來一直從事超流量子物理的基礎研究，從超流氦體系的多體量子態以及量子態之間的躍遷這個基礎牢固的量子框架出發來解釋超流的諸多重要物理現象，並發展新的超流物理認識和提出新的預言，並在近期開展相關的實驗驗證研究。主持人在過去在理論上面揭示了超流的量子機制，說明了超流實質是一個玻色交換效應，類似於海森堡認識到的磁性是電子作為費米子的一種交換效應一樣。 本項目的資助給主持人在超流量子物理領域裡面的系統和深入的研究給予了很大幫助，這裡表示衷心的感謝！在這個項目的執行期間，我們找出了一些重要超流物理現象背後所隱藏的微妙的量子圖像。我認識到超流氦體系有一個非常特別的量子物性，那就是超流氦的內能不僅依賴於它的溫度，同時也依賴於它的流速。這個量子物性不僅從微觀角度直接解釋了超流的機熱效應，它能更進一步說明熱力學第二定律存在一個量子反例，關係到非要的基礎重要物理，也關係到能源問題解決的新途徑。在這個項目的資助下，我們在購置了一台氦氣制冷機，並在這個製冷平台上面設計和安裝了一套液氦製冷系統，該系統已成功達到1.4K的低溫區，從而能夠開展上述提到超流氦的量子物性的實驗驗證研究，我們預計一兩年內完成這個基礎重要實驗，取得實驗成果。這個項目的一些可視成果主要體現在發表的一篇論文 “The second law of thermodynamics and entropy-decreasing processes with 4-He superflows”（Mod. Phys.Lett. B, vol. 30, (2016) 1630008)裡面，在這篇論文中我們提到熱力學第二定律其實缺乏基礎牢固的數理原理基石， 而超流的多體量子物理以一種直接清晰的方式來實現一個自然簡單的不需要外力維持的熵減少過程，從而提供了熱力學第二定律的一個量子反例，這個認識提醒了量子力學和熱力學第二定律並非完全兼容，這個讓人意外的理論認識不僅關係到重大基礎的物理理論，也關係到以一種全新的方式來解決能源問題這樣重要的套用技術。