Ротоны в сверхтекучем гелии-4: от теории к экспериментам.
Roton
Ротоны в сверхтекучем гелии-4: элементарные возбуждения, квазичастицы, фононы, максоны и их роль в физике конденсированного состояния. Теория и дисперсионные соотношения.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Коллективное возбуждение в сверхжидком гелии-4 (квазичастица)
Collective excitation in superfluid helium 4 (a quasiparticle)
В теоретической физике ротон — это элементарное возбуждение, или квазичастица, наблюдаемое в сверхжидком гелии-4 и конденсатах Бозе-Эйнштейна с дальнодействующими дипольными взаимодействиями или спин-орбитальным взаимодействием. Дисперсионное соотношение элементарных возбуждений в этой сверхжидкости демонстрирует линейный рост от начала координат, но затем показывает сначала максимум, а затем минимум энергии с увеличением импульса. Возбуждения с импульсами в линейной области называются фононами; возбуждения с импульсами, близкими к минимуму, называются ротонами. Возбуждения с импульсами, близкими к максимуму, называются максонами. Термин "подобный ротону" также используется для предсказанных собственных мод в 3D метаматериалах, использующих связи, выходящие за рамки ближайших соседей. Наблюдение такого "подобного ротону" дисперсионного соотношения было продемонстрировано в обычных условиях как для акустических волн давления в канальном метаматериале на слышимых частотах, так и для поперечных упругих волн в микромасштабном метаматериале на ультразвуковых частотах.
In theoretical physics, a roton is an elementary excitation, or quasiparticle, seen in superfluid helium 4 and Bose–Einstein condensates with long range dipolar interactions or spin orbit coupling. The dispersion relation of elementary excitations in this superfluid shows a linear increase from the origin, but exhibits first a maximum and then a minimum in energy as the momentum increases. Excitations with momenta in the linear region are called phonons; those with momenta close to the minimum are called rotons. Excitations with momenta near the maximum are called maxons. The term "roton like" is also used for the predicted eigenmodes in 3D metamaterials using beyond nearest neighbor coupling. The observation of such a "roton like" dispersion relation was demonstrated under ambient conditions for both acoustic pressure waves in a channel based metamaterial at audible frequencies and transverse elastic waves in a microscale metamaterial at ultrasound frequencies.
Модели
Первоначально спектр ротона был феноменологически введен Львом Ландау в 1947 году. В настоящее время существуют модели, которые с разной степенью успеха и обоснованности пытаются объяснить спектр ротона. Любая модель такого рода должна объяснять не только форму самого спектра, но и другие связанные с ним измеряемые величины, такие как скорость звука и фактор структуры сверхтекучего гелия-4. Для изучения спектра ротона на гелии проводились микроволновая и Брэгговская спектроскопия.
Originally, the roton spectrum was phenomenologically introduced by Lev Landau in 1947. Currently there exist models which try to explain the roton spectrum with varying degrees of success and fundamentality. The requirement for any model of this kind is that it must explain not only the shape of the spectrum itself but also other related observables, such as the speed of sound and structure factor of superfluid helium 4. Microwave and Bragg spectroscopy has been conducted on helium to study the roton spectrum.
Конденсация Бозе-Эйнштейна
Была предложена и изучена конденсация Бозе–Эйнштейна ротонов. Первое наблюдение было зарегистрировано в 2018 году. При определенных условиях ротонный минимум порождает кристаллоподобную твердую структуру, называемую супертвердым телом, что было продемонстрировано в экспериментах, начиная с 2019 года.
Bose–Einstein condensation of rotons has been also proposed and studied. Its first detection has been reported in 2018. Under specific conditions the roton minimum gives rise to a crystal solid like structure called the supersolid, as shown in experiments from 2019.