Роль парных корреляций в формировании основного состояния и спектра элементарных возбуждений сверхтекучей бозе-жидкости

Abstract

В обзоре обсуждаются парадоксы и противоречия современной микроскопической теории сверхтекучего гелия (He-II) и возможные пути их разрешения с учетом парных корреляций между атомами ⁴He. Показано, что большинство парадоксов связано с исходным общепринятым предположением о превалирующей роли одночастичного бозе-конденсата (ОБК) в квантовой микроструктуре сверхтекучей компоненты rs . Существование интенсивного ОБК приводит, как известно, к сильной гибридизации ветвей элементарных возбуждений и одинаковому для всех бозонных ветвей закону дисперсии, который отождествляется с экспериментально наблюдаемым по рассеянию медленных нейтронов спектром квазичастиц в жидком гелии E(p) . Однако неизменность этого спектра при приближении к l-точке и большая величина щели в области "ротонного" минимума не согласуются с теоретическим критерием сверхтекучести Ландау и малой величиной экспериментально измеряемой критической скорости. B то же время известно, что в бозе-жидкости ⁴He из-за сильного взаимодействия между частицами ОБК сильно подавлен (составляет не более 1% всех атомов ⁴He) и поэтому не может служить основой сверхтекучей компоненты в отличие от слабонеидеального бозе-газа. Более того, в случае достаточно сильного притяжения между частицами в некоторой области импульсного пpостpанства, в сверхтекучей бозе-жидкости могут образовываться связанные пары бозонов и возникает парный когерентный конденсат (ПКК), аналогичный конденсату куперовских пар в сверхпроводниках. Такой интенсивный ПКК может полностью подавить слабый ОБК. При этом одночастичный спектр элементарных возбуждений e(p) не гибридизуется с коллективным (двухчастичным) спектром и не содержится в структуре динамического формфактора S(p,e), т.е. не совпадает со спектром, измеренным с помощью нейтронного рассеяния. Дисперсия одночастичного спектра определяется импульсной зависимостью парного параметра порядка ỹp) и может иметь минимум или точку перегиба при p не=0 . Эта особенность в одночастичном спектре бозе-жидкости с ПКК без ОБК исчезает вместе с ỹp) при температуре фазового перехода Tc=Tl из сверхтекучего состояния в нормальное (в отличие от ротонного минимума в коллективном спектре), а соответствующая ей критическая скорость nc=min[e(p)/p] обращается в нуль в l-точке в соответствии с критерием сверхтекучести Ландау и экспериментальными данными. Предположение о том, что в основе квантовой структуры сверхтекучей компоненты rs лежит интенсивный "куперовский" ПКК, косвенно подтверждается, с одной стороны, успешным применением приближения Джастрова, которое учитывает сильные парные корреляции, для описания свойств жидкого ⁴He и растворов квантовых жидкостей ³He -⁴He, а с другой стороны, аномально большой эффективной массой примесных атомов ³He в ⁴He, которая близка по величине к суммарной массе атомов ³He и ⁴He, что свидетельствует о существовании связанных пар атомов гелия в сверхтекучей жидкости He-II. Обсуждается вопрос о величине кванта циркуляции сверхтекучей скорости в вихрях Онсагера-Фейнмана в бозе-жидкости с ПКК без ОБК, а также проблема критических скоростей сверхтекучего ⁴He в сверхтонких пленках и каналах, в которых невозможно рождение и движение квантовых вихрей и происходит размерное квантование спектра квазичастиц.

The paradoxes and disparities in the contemporary microscopic theory of superfluid helium (He–II) are discussed along with possible ways of resolving them by taking pair correlations of 4 He atoms into consideration. It is shown that most paradoxes are associated with the commonly accepted initial assumption concerning the dominating role of single-particle Bose condensate (SPBC) in the quantum microstructure of the superfluid component ρ s . The existence of intensive SPBC leads to a strong hybridization of the elementary excitation branches and to a common dispersion law for all boson branches, which is identified with the quasiparticle spectrum E( p ) observed experimentally from slow neutron scattering in liquid helium. However, the stability of this spectrum during a transition through the λ-point and the large value of the gap in the vicinity of the “rotonic” minimum contradict both the Landau theoretical criterion of superfluidity and the small value of experimentally measured critical velocity. At the same time, a strong interaction between particles in the Bose liquid 4 He strongly suppresses the SPBC which amounts to less than 1% of all 4 He atoms and hence cannot be the main constituent of the superfluid component, unlike the case of a weakly nonideal Bose gas. Moreover, for a quite strong attraction between particles in a certain region of the momentum space, bound pairs of bosons can be formed in the superfluid Bose liquid, and a coherent pair condensate (CPC) analogous to the Cooper pair condensate in superconductors may appear. Such a strong CPC may completely suppress the weak SPBC. In this case, the one-particle spectrum ε( p) of elementary excitations does not hybridize with the collective (two-particle) spectrum and does not appear in the structure of the dynamic form factor S( p ,ε), i.e., does not coincide with the spectrum measured from neutron scattering. The dispersion of one-particle spectrum is defined by the momentum dependence of the pair order parameter Ψ̃( p ) and may have a minimum or a point of inflection at p ≠0. This peculiarity in the one-particle spectrum of a Bose liquid with CPC but without SPBC vanishes together with Ψ̃( p ) at the temperature T c =T λ of the phase transition from the superfluid to the normal state (unlike the rotonic minimum in the collective spectrum), while the corresponding critical velocity v c = min [ε( p )/p] vanishes at the λ-point in accordance with the Landau criterion and the experimental data. The assumption that the strong “Cooper-like” CPC is responsible for the quantum structure of the superfluid component ρ s is confirmed indirectly by the successful application of the Justrow approximation (based on strong pair correlations) for describing the properties of liquid 4 He and quantum liquid mixtures 3 He– 4 He on one hand, and by an anomalously large effective mass of 3 He impurity atoms in 4 He , which is approximately equal to total mass of 3 He and 4 He atoms, thus pointing to the existence of helium atoms in superfluid liquid He–II. The value of the superfluid velocity circulation quantum in the Onsager–Feynman vortices in a Bose liquid with CPC but without SPBC is discussed as well as the critical velocities of superfluid 4 He in ultrathin films and channels in which the creation and motion of quantum vortices are ruled out, and the quasiparticle spectrum undergoes dimensional quantization.