Ротон

Рото́н (от лат. roto — «вращаюсь, верчусь») — элементарное возбуждение (квазичастица) в сверхтекучем ⁴He, связанное с возникновением вихревого движения в сверхтекучей жидкости (аналогично вихрям Абрикосова в сверхпроводнике). Возникновение таких квазичастиц имеет особое влияние на поведение сверхтекучей жидкости в области температур ниже Кельвина. Термин ввел И. Е. Тамм^[1].

Энергетический спектр возбуждений в ⁴He

Спектр элементарных возбуждений в жидком гелии

Энергетический спектр элементарных возбуждений в гелии имеет линейную зависимость в начальной части, локальный минимум ($p_0$,$E_0$), где $E_0$ соответствует температуре около 8,6 K. Элементарные возбуждения линейной части спектра принято называть фононами. Элементарные возбуждения в области, близкой к $p_0$, называют ротонами.

Энергия фононов

Фононы обладают линейным законом дисперсии. Энергия фононов связана с квазиимпульсом следующим простым выражением:

$~E=c p$, где с ≈ 240 м/с — скорость звука в гелии.

Энергия ротонов

Энергия ротонов вблизи локального минимума дисперсионной кривой имеет квадратичный вид ^[2]:

$E(p)=\Delta+\frac{(p-p_0)^2}{2\mu}$

Здесь $\Delta$ имеет значение порядка 8,6 K в температурных единицах энергии, $\mu$ — эффективная масса. Расчётные значения положения минимума ротонной зоны спектра и эффективной массы ротонов^[3]:

$\frac{p_0}{h}= 1,99*10^{10}$ м⁻¹, $~\mu=0,26m_{He}$, где $~m_{He}$ — масса свободного атома гелия.

Критерий Ландау

Основная статья: Критерий Ландау сверхтекучести

Физический смысл появления ротонов в энергетическом спектре соответствует появлению вихревого движения в сверхтекучей жидкости. И хотя сам вихрь существует бездиссипативно, но на его образование требуется энергия, которая теряется системой. Таким образом, возникает трение. Условием невозникновения таких квазичастиц является критерий сверхтекучести Ландау. Наглядно выполнение этого критерия для движения жидкости с заданной скоростью $~V$ можно представить как отсутствие пересечения прямой $~E=V p$ с зависимостью $~E(p)$ энергетического спектра элементарных возбуждений. Наличие таких пересечений говорит о возможности возникновения квазичастиц соответствующей части энергетического спектра с одновременным выполнением законов сохранения импульса и энергии. Теоретически, условие бездиссипативного движения должно выполняться вплоть до скоростей около 80 м/с, но на практике сверхтекучесть нарушается при существенно более низких скоростях из-за высокоэнергетической части спектра.

Влияние на теплоёмкость и другие свойства

Ротоны играют важную роль в свойствах сверхтекучего гелия при T ≈ 0,6 K. Они обусловливают существование слагаемых теплоёмкости, энтропии, нормальной плотности и др., экспоненциально зависящих от температуры. Так, теплоёмкость при температурах ниже 0,6 K имеет фононную температурную зависимость:

$~C_p$~$~T^3$

При температурах выше 0,6 K зависимость теплоёмкости меняется на экспоненциальную^[4]:

$C_p=V\frac{p_0^2\Delta^2}{2 \pi^2\hbar^3T^2}(2\pi\mu T^2)^{1/2} e^{-\frac{\Delta}{T}}$

Биротон

Два ротона с противоположно направленными импульсами образуют связанное состояние — биротон, с орбитальным моментом L=2, энергией связи 0,25 K^[4].

Примечания

1. ↑ Ротон в БСЭ
2. ↑ ЛОКАЛИЗОВАННЫЕ СОСТОЯНИЯ РОТОНОВ ВБЛИЗИ ИОНОВ В ГЕЛИИ II
3. ↑ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ СТРУКТУРЫ ГЕЛИЯ II С ПОМОЩЬЮ РАССЕЯНИЯ ХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ, Э. Л. Андроникашвили
4. ↑ ^{1 2} Физическая энциклопедия / гл. ред. А.М. Прохоров. — Большая Российская энциклопедия, 1994. — Т. 4. — С. 400. — 704 с. — 40 000 экз. — ISBN 5-85270-087-8

Частицы в физике

 

Элементарные частицы	Фермионы Кварки u · d · c · s · t · b Лептоны e− · e+ · μ− · μ+ · τ− · τ+ · νe · νe · νμ · νμ · ντ  · ντ Бозоны Калибровочные бозоны γ · g · W-бозон · Z-бозон бозоны Хиггса H0 Другие Ду́хи Гипотетические Суперпартнёры Гейджино Чарджино · Глюино · Гравитино · Нейтралино Другие Аксино · Хиггсино · Сфермион Другие A0 · Дилатон · G · J · Тахион · X · X (4140) Y · W’ · Z’ · Стерильное нейтрино
Составные частицы	Адроны Барионы / Гипероны Нуклоны (p · p · n · n)  · Δ · Λ · Σ · Ξ · Ω Мезоны / Кварконии π · ρ · η · η′  · φ · ω  · J/ψ · ϒ · θ · K · B · D · T Другие Атомные ядра · Атомы · Экзотические атомы (Позитроний · Мюоний · Кварконий) · Молекулы Гипотетические Экзотические адроны Экзотические барионы Дибарион · Пентакварк Экзотические мезоны Глюбол · Тетракварк Другие Мезонная молекула · Померон
Квазичастицы	Солитон Давыдова · Экситон · Биэкситон · Магнон · Фонон · Плазмон · Поляритон · Полярон · Примесон · Ротон · Биротон · Дырка · Электрон · Куперовская пара · Орбитон · Трион · Фазон · Флуктуон · Энион · Холон и спинон
Списки	Список частиц · Список квазичастиц · Список барионов · Список мезонов · История открытия частиц