О причине электрической активности сверхтекучего гелия при возбуждении в нем волн второго звука и колебаний скорости нормальной компоненты

Abstract

Предложено объяснение нового, неизвестного ранее эффекта — возникновения электрического поля в сверхтекучем гелии в процессе распространения волн второго звука либо при вынужденных колебаниях скорости нормальной компоненты, недавно наблюдавшегося экспериментально. Показано, что электрический потенциал, возникающий при возбуждении второго звука и обусловленный поляризацией атомов Не под действием ускорений из-за сильного различия масс электронов и ядер (инерционный эффект), пропорционален полной энтропии He II. Рассмотрение проведено с использованием представления о сверхтекучей компоненте He II как о суперпозиции двух сильно связанных кулоновским взаимодействием противоположно заряженных когерентных бозонных конденсатов — ядерного и электронного. Последние состоят, соответственно, из ядер атомов гелия с нулевым спином и из сильно коррелированных пар электронов, находящихся в синглетном состоянии и образующих полностью заполненную 1s-оболочку атомов гелия. Учтено, что эффективный когерентный конденсат, являющийся микроосновой сверхтекучей компоненты He II, вследствие межатомного взаимодействия содержит, наряду с «истощенным» одночастичным бозе-эйнштейновским конденсатом, интенсивный парный и высшие моночастичные конденсаты. Благодаря этому энтропия сверхтекучей квантовой жидкости 4 Не имеет постоянный, не зависящий от температуры вклад. Из проведенного рассмотрения следует, что отношение амплитуд колебаний температуры и электрического потенциала в волне второго звука, полученное А.С. Рыбалко (ФНТ 30, 132 (2004)), может быть использовано для определения энтропии He II. Проявление электрической активности при возбуждении вынужденных колебаний скорости нормальной компоненты за счет крутильных колебаний сосуда с He II, обнаруженное в работе А.С. Рыбалко и С.П. Рубца (ФНТ 31, 820 (2005)), качественно объяснено с учетом поправки к химическому потенциалу, квадратичной по разности скоростей сверхтекучей и нормальной компонент He II. Показано, однако, что этот вклад, так же как и вклад, обусловленный центростремительным ускорением, который обсуждался в статье А.С. Рыбалко и С.П. Рубца, количественно не согласуется с экспериментом.

Запропоновано пояснення нового, невідомого раніше ефекту — виникнення електричного поля у надплинному гелії у процесі поширення хвиль другого звуку або при змушених коливаннях швидкості нормальної компоненти, що недавно спостерігався експериментально. Показано, що електричний потенціал, який виникає при збудженні другого звуку й обумовлений поляризацією атомів Не під дією прискорень через велику різницю мас електронів і ядер (інерційний ефект), є пропорційним повній ентропії He II. Розгляд проведено з використанням уявлення про надплинну компоненту He II як про суперпозицію двох сильно зв’язаних кулонівською взаємодією протилежно заряджених когерентних бозонних конденсатів — ядерного й електронного. Останні складаються, відповідно, з ядер атомів гелію з нульовим спіном та з сильно корельованих пар електронів, що перебувають у синглетному стані й утворюють повністю заповнену 1s-оболонку атомів гелію. Враховано, що ефективний когерентний конденсат, що є мікроосновою надплинної компоненти He II, внаслідок міжатомної взаємодії містить, поряд з «виснаженим» одночастинковим бозе-ейнштейнівським конденсатом, інтенсивний парний та вищі багаточастинкові конденсати. Завдяки цьому ентропія надплинної квантової рідини 4 Не має постійний, незалежний від температури внесок. Із проведеного розгляду випливає, що відношення амплітуд коливань температури й електричного потенціалу у хвилі другого звуку, отримане О.С. Рибалко (ФНТ 30, 132 (2004)), може бути використано для визначення ентропії He II. Прояв електричної активності при збудженні вимушених коливань швидкості нормальної компоненти за рахунок крутильних коливань посудини з He II, що спостерігався у роботі О.С. Рибалко та С.П. Рубця (ФНТ 31, 820 (2005)), якісно пояснюється з урахуванням доданку до хімічного потенціалу, квадратичного по різниці швидкостей надплинної та нормальної компонент He II. Але показано, що цей внесок, так само як і внесок, обумовлений доцентровим прискоренням, який розглядався у статті О.С. Рибалко й С.П. Рубця, кількісно не узгоджуються з експериментом.

An explanation of the new, previously unknown phenomenon — the origination of electric field in superfluid helium in the process of the second sound propagation or during the forced oscillations of the normal component’s speed, is proposed. It is shown that the electric potential, which appears upon excitation of the second sound and is caused by the polarization of He atoms under the action of accelerations due to the large difference of the masses of electrons and nuclei (inertial effect), is proportional to the full entropy of He II. The consideration is premised on the representation of the superfluid component of He II as a superposition of two oppositely charged coherent bosonic condensates, nuclear and electronic, strongly coupled by Coulomb interaction. These condensates consist, correspondingly, of the helium atoms’ nuclei with zero spin and strongly correlated electron pairs in singlet state, which form completely filled 1s-shell of helium atoms. It is taken into account that the effective coherent condensate, representing the micro-basis of the He II superfluid component, contains, due to the interatomic interaction, intensive pair- and higher-order condensates, along with the «depleted» one-particle Bose–Einstein condensate. Owing to this fact, the entropy of superfluid quantum liquid 4 He includes a constant, temperature-independent contribution. It is shown that the ratio of the amplitudes of temperature and electric potential oscillations in the wave of second sound, which is obtained by A.S. Rybalko (Fiz. Nizk. Temp. 30, 132 (2004)), allows the estimation of the value of the He II entropy. The development of electric activity in the process of excitation of the forced oscillations in the normal component’s speed through torsional oscillations of the vessel with He II, discovered by A.S. Rybalko and S.P. Rubets (Fiz. Nizk. Temp. 31, 820 (2005)), is qualitatively explained with taking into account a contribution to chemical potential, which is quadratic in relative speed of the superfluid and normal components of He II. It is shown, however, that both this contribution and the contribution due to the centripetal acceleration, discussed in the paper by A.S. Rybalko and S.P. Rubets, do not agree quantitatively with the experiment.