|
|
 |
|
Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии
|
Общий каталог эффектов
 | Нулевой звук |
 |
Нулевой звук
Описание
Нулевым звуком называют слабозатухающие колебания, распространяющиеся при низких температуpax в системе вырожденных фермионов (ферми-жидкость, ферми-газ), причем длина свободного пробега квазичастиц много больше длины волны. Нулевой звук представляет собой проявление колебаний функции распределения квазичастиц. В этом его отличие от обычного звука, при распространении которого функция распределения в каждом элементе объема остается равновесной, а колеблются плотность жидкости и скорость движения элемента объема как целого.
В 1957 г. Ландау предсказал, что при достаточно низких температурах в жидком Не3 может распространяться звук нового типа, которые он назвал нулевым звуком. Более детальная теория распространения и затухания звука как в гидродинамической области (первый звук), так и в области нулевого звука, основанная на идее Ландау, была развита Халатниковым и Абрикосовым. Согласно предсказаниям этой теории при температурах достаточно высоких, чтобы квантовые эффекты были несущественны, затухание нулевого звука пропорционально Т2 и не зависит от частоты. В области первого звука затухание пропорционально ω2 /Т2, что соответствует классическому вязкому затуханию с вязкостью, пропорциональной Т-2. Обе эти зависимости наблюдались в экспериментах. Изменение скорости согласуется с теорией количественно, а значения коэффициента затухания согласуются полуколичественно, так что описываемые эксперименты, несомненно, обнаруживают распространение нулевого звука.
Первым существенным экспериментальным аргументом в пользу существования нулевого звука были эксперименты Кина, Мэтьюза и Уилкса. Они измеряли эффективный акустический импеданс жидкого Не3 и обнаружили переход от высокотемпературного режима к низкотемпературному примерно при 0,092 °К для частоты 1000 Мгц. Они не могли измерить характеристики распространения звука. Они не могли также получить с помощью теоретических расчетов правильное значение разности скоростей между первым и нулевым звуком. Однако на основе экспериментов можно с уверенностью сказать, что явление, которое они наблюдали, действительно было переходом от первого к нулевому звуку.
Результаты измерений показаны на рис. 1, на котором отложены и коэффициент затухания, и скорость.
Коэффициент затухания и скорость распространения звука в чистом Не3 при давлении 0,32 атм и для частот 15,4 и 45,5 Мгц, в зависимости от магнитной температуры.
Рис.1
Ключевые слова
Разделы наук
Используется в научно-технических эффектах
Используется в областях техники и экономики
Используются в научно-технических эффектах совместно с данным эффектом естественнонаучные эффекты
Применение эффекта
Иногда под нулевым звуком понимают также и ВЧ-колебания произвольных спиновых одночастичного распределения квазичастиц. Так, для ферми-жидкости частиц со спином 1/2 рассматривают нуль-звуковые колебания антисимметризоваиной по спину функции распределения, т. е. импульсного распределения магнитного момента квазичастиц. Такие колебания представляют собой специфические ферми-жидкостные спиновые волн, а скорость распространения этих нуль-звуковых спи¬новых волн в отсутствие магнитного поля (спиновой поляризации) по-прежнему задаётся уравнениями, куда, однако, вместо гармоник Fn – функции Ландау, симметризованной по спину, следует подставить гармоники антисимметризоваиной по спину ферми-жидкостной функции, обозначаемые обычно zn или Fn .
Реализации эффекта
Прибор, на котором проводились измерения, схематически показан на рис. 1. CMN служит и охлаждающим веществом, и термометром. Звук проходит через Не3 в небольшой щели между ультразвуковой линией задержки из плавленого кварца и принимающим кристаллом кварца (Х-срез) с основной частотой 15 Мгц. Линия задержки нужна для того, чтобы колебания, возникающие в приемном кристалле под влиянием первоначального сигнала вследствие электростатического взаимодействия с излучателем, успели затухнуть до прихода звукового импульса. Щель создавалась с помощью трех небольших кварцевых прокладок и ее ширина в наших экспериментах равнялась 1,38*10-2 см. Основной экспериментальной трудностью было электрическое экранирование приемной цепи от излучающей, совместимое с обеспечением очень малого притока тепла к звуковой ячейке.
Измерения проводились так: на ультразвуковой излучатель и на вход цепи задержки развертки осциллографа одновременно подавался сигнал, затем производилось фотографирование нескольких первых волн полученного сигнала, чтобы избежать трудностей, связанных с многократным отражением. Для определения величины затухания выделялась некоторая часть импульса и измерялась амплитуда колебаний. Чтобы скомпенсировать вариации полного коэффициента усиления электронной аппаратуры, использовался калибровочный импульс. Скорость измерялась путем определения разности фаз между полученным звуковым сигналом и опорным сигналом, который приходил из системы, находящейся при комнатной температуре. Эта система была акустически эквивалентна низкотемпературной, но в ней отсутствовала щель. Величина скорости вычислялась по сдвигу фаз при известной толщине кварцевых прокладок с использованием результатов измерений скорости звука Абеля, Андерсона и Уитли. Частота определялась измерением на экране осциллографа периода принимаемых колебаний. Чтобы получить величину коэффициента затухания, надо было знать величину принимаемого сигнала, в пределе затухания стремящегося к нулю. Для ее определения логарифм величины сигнала с учетом поправок на усиление был отложен в зависимости от (Т*)2 при малых T и от (Т*)-2 при больших Т и проведена экстраполяция к нулю.
Схематическое изображение звуковой ячейки. 1 — медные проволочки; 2 — порошок церий-магниевого нитрата; 3 — пружины из бериллиевой бронзы; 4 — приемный кристалл кварца; 5 — Не3; 6 — манганиновый провод с индиевым покрытием; 7 — изоляция аз стекловолокна, 8 — линия передачи, обернутая латунной фольгой, обеспечивающей экранировку; 9 — труба для заполнения, 10 — теплоизоляция из эпоксидной смолы; 11 — хлопчатобумажный фильтр; 12 — основание фильтра; 13 — кварцевые прокладка; 14 —- электрические выводы; 15 — кварцевая линия задержки; 16 — кварцевый излучатель; 17 — латунная фольга. Верхняя часть линии задержки, которая была позолочена, соединялась с заземленными экранами передающей и принимающей линий. (Электрическая экранировка приемной цепи и золотое покрытие с под-водящими проводами не показаны на рисунке.)
Рис.1
Литература
1. Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. Кол. Д.М. Алексеев, А.м. Балдин, А.М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов и др. – М.: Большая Российская энциклопедия. Т.3, 1994. 704 с., ил.
2. Абель В. P., Андерсон А. К., Уитли Дж. К., Распространение нулевого звука в жидком Не3 при низких температурах, «Успехи физических наук», 1967, т. 91, в. 2.
