Действие электрического поля на квантованные вихри в He II

Abstract

Изучены электрическая поляризация и взаимодействие с электрическим полем квантованных вихрей в сверхтекучей бозе-жидкости. Рассмотрено два вида поляризации вихрей, оба они обусловлены действием центробежных сил на атомы жидкости при их азимутальном движении вокруг линии вихря. Во-первых, под действием этих сил атомы приобретают дипольные моменты (инерционная поляризация в отсутствие внешнего поля), и вокруг линии вихря возникает неоднородное симметричное распределение плотности поляризации. При этом интегральный дипольный момент у вихря отсутствует, но каждый элемент вихревой линии несет на себе квадрупольный момент, Во-вторых, действие центробежных сил приводит к неоднородному распределению атомной плотности вокруг линии вихря, поэтому плотность поляризации жидкости во внешнем электрическом поле также неоднородна вблизи этой линии, а отдельный элемент вихревой линии приобретает эффективный дипольный момент, пропорциональный полю (индукционная поляризация). Получены аналитические выражения для плотности поляризации вокруг прямолинейных и кольцевых вихревых линий и вычислены эффективные дипольные и квадрупольные моменты таких вихрей. Проанализировано распределение пондеромоторных сил, действующих на сверхтекучую жидкость c квантованными вихрями во внешнем электрическом поле, и найдены обусловленные полем добавки к энергии вихрей. Численные оценки обсуждаемых эффектов приведены для Не ІІ.

Вивчено електричну поляризацію та взаємодію з електричним полем квантованих вихорів у надплинній бозе-рідині. Розглянуто два види поляризації вихорів, обидва вони обумовлені дією відцентрових сил на атоми рідини при їх азимутальному росі навколо лінії вихору. По-перше, під дією цих сил атоми набувають дипольних моментів (інерційна поляризація у відсутності зовнішнього поля), і навколо лінії вихору виникає неоднорідний симетричний розподіл густини поляризації, при цьому інтегральний дипольний момент у вихорі відсутній, але кожний елемент лінії вихору несе на собі квадрупольний момент. По-друге, дія відцентрових сил призводить до неоднорідного розподілу атомної густини навколо лінії вихору, тому густина поляризації рідини у зовнішньому електричному полі також неоднорідна поблизу цієї лінії, а окремий елемент лінії вихору набуває ефективний дипольний момент, який пропорцієн полю (індуктивна поляризація). Одержано аналітичні вирази для густини поляризації навколо прямолінійних і кільцеподібних вихорових ліній та обчислено ефективні дипольні і квадрупольні моменти таких вихорів. Проаналізовано розподіл пондеромоторних сил, котрі діють на надплинну рідину з квантованими вихорами у зовнішньому електричному полі, та знайдено обумовлені полем добавки до енергії вихорів. Числові оцінки обговорених ефектів приведено для Не ІІ.

Electrical polarization and interaction of quantized vortices with electrical field in superfluid Bose fluid are studied. Two types of the vortices polarization are considered; both of them are caused by action of centrifugal forces upon the fluid atoms at their azimuthal motion around the vortex line. Firstly, atoms obtain dipole moments (inertial polarization when external field is absent) and a nonuniform symmetrical distribution of the polarization density arises; at that, a vortex has no integral dipole moment but each element of the vortex line bears a quadrupole moment. Secondly, action of the centrifugal forces leads to a nonuniform distribution of the atomic density around the vortex line; therefore, the polarization density of the fluid in the external electrical field is also nonuniform in the vicinity of this line and each isolated element of the vortex line obtains dipole moment proportional to the field magnitude (inductive polarization). Analytical expressions for the polarization density around the straight and circular vortex lines are obtained and the effective dipole and quadrupole moments of the vortices are determined. A distribution of the ponderomotive forces acting on the superfluid fluid with quantized vortices in the external electrical field has been analyzed and the caused by field additives to the energy of the straight and circular vortices are found. Numerical estimations of the effects considered are given for He II.