14-10-2023
Рото́н (от лат. roto — «вращаюсь, верчусь») — элементарное возбуждение (квазичастица) в сверхтекучем 4He, связанное с возникновением вихревого движения в сверхтекучей жидкости (аналогично с вихрями Абрикосова в сверхпроводнике). Возникновение таких квазичастиц имеет особое влияние на поведение сверхтекучей жидкости в области температур ниже Кельвина. Термин ввел И. Е. Тамм[1].
Содержание |
Энергетический спектр элементарных возбуждений в гелии имеет линейную зависимость в начальной части, локальный минимум (,), где соответствует температуре около 8,6 K. Элементарные возбуждения линейной части спектра принято называть фононами. Элементарные возбуждения в области, близкой к , называют ротонами.
Фононы обладают линейным законом дисперсии. Энергия фононов связана с квазиимпульсом следующим простым выражением:
, где с ≈ 240 м/с — скорость звука в гелии.
Энергия ротонов вблизи локального минимума дисперсионной кривой имеет квадратичный вид [2]:
Здесь имеет значение порядка 8,6 K в температурных единицах энергии, — эффективная масса. Расчётные значения положения минимума ротонной зоны спектра и эффективной массы ротонов[3]:
м−1, , где — масса свободного атома гелия.
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 можно представить как отсутствие пересечения прямой с зависимостью 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.
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:
~
При температурах выше 0,6 K зависимость теплоёмкости меняется на экспоненциальную[4]:
Два ротона с противоположно направленными импульсами образуют связанное состояние — биротон, с орбитальным моментом L=2, энергией связи 0,25 K[4].
Ротон.
