超流氦四的临界速度对压强的依赖性的理论和实验研究

Landau's theory of Helium II predicted that its critical velocity Vc is about 60m/s, which is almost an order of magnitude larger than the experimentally observed a Vc of several m/s in maximum. The disgreement between the theory and the experiment reminds people that the fundamental picture of superfluid helium is not completely clear. We will investigate the dependence of Vc on the system's pressure. We realize that this dependence could reveal the following important physical picture: When liquid helium makes momentum-energy exchanges with its surroundings in a frictional motion, the amount of momentum change at each quantum exchange process can be large (as large as the corresponding Fermi momentum), or is much smaller than the Fermi momentum. If Vc decreases with increasing pressure, then the quantum exchange involves large momentum, otherwise, it is small momentum exchange process.Experimentally, we adopted the approach developed recently by Gervais ( PRL 107, 254501) and we will measure the amount of liquid helium flow through a nanosize hole. With this approach, we can obtain Vc and its dependence on pressure straightforwardly, reliably and cost-efficiently. The application revealed than superfluidity is an effect caused by the Bose exchange symmetry in one of his past work. His publications include 4 PRL and one Science paper in the field of superfluidity.

朗道理论预言超流氦的临界速度Vc约为60m/s，与实验得到的Vc（最大值为几米每秒）相差数倍，这个理论和实验的不符提醒着超流的基础物理有很重要的细节没有搞清楚。本项目将从理论和实验两方面研究超流氦的Vc对压强的依赖性，对超流的基础物理图像进行补充。在理论上我们认识到Vc对压强的依赖性和如下重要物理图像相联系：当液氦与环境出现摩擦和进行能动量交换时，每次量子交换中改变的动量是大动量（相当于体系对应的费米动量），还是远小于费米动量的小动量；如果临界速度随压强增大而减小，则是前者，反之则是后者。在实验上采用 Gervais小组的测量穿过纳米小孔的液氦质量方法（PRL 107，254501）来获得50mK以下的Vc及其对压强的依赖性，该方法采用了新技术，直接稳定可靠，能够准确地达到实验目的。申请人曾阐明超流是由玻色子交换对称性导致的量子效应，发表论文中和超流相关的有四篇PRL和一篇Science.

项目主持人十几年来一直从事超流量子物理的基础研究，从超流氦体系的多体量子态以及量子态之间的跃迁这个基础牢固的量子框架出发来解释超流的诸多重要物理现象，并发展新的超流物理认识和提出新的预言，并在近期开展相关的实验验证研究。主持人在过去在理论上面揭示了超流的量子机制，说明了超流实质是一个玻色交换效应，类似于海森堡认识到的磁性是电子作为费米子的一种交换效应一样。.本项目的资助给主持人在超流量子物理领域里面的系统和深入的研究给予了很大帮助，这里表示衷心的感谢！在这个项目的执行期间，我们找出了一些重要超流物理现象背后所隐藏的微妙的量子图像。我认识到超流氦体系有一个非常特别的量子物性，那就是超流氦的内能不仅依赖于它的温度，同时也依赖于它的流速。这个量子物性不仅从微观角度直接解释了超流的机热效应，它能更进一步说明热力学第二定律存在一个量子反例，关系到非要的基础重要物理，也关系到能源问题解决的新途径。在这个项目的资助下，我们在购置了一台氦气制冷机，并在这个制冷平台上面设计和安装了一套液氦制冷系统，该系统已成功达到1.4K的低温区，从而能够开展上述提到超流氦的量子物性的实验验证研究，我们预计一两年内完成这个基础重要实验，取得实验成果。这个项目的一些可视成果主要体现在发表的一篇论文 “The second law of thermodynamics and entropy-decreasing processes with 4-He superflows”（Mod. Phys.Lett. B, vol. 30, (2016) 1630008)里面，在这篇论文中我们提到热力学第二定律其实缺乏基础牢固的数理原理基石， 而超流的多体量子物理以一种直接清晰的方式来实现一个自然简单的不需要外力维持的熵减少过程，从而提供了热力学第二定律的一个量子反例，这个认识提醒了量子力学和热力学第二定律并非完全兼容，这个让人意外的理论认识不仅关系到重大基础的物理理论，也关系到以一种全新的方式来解决能源问题这样重要的应用技术。