Сверхтекучесть жидкого гелия была открыта в 1938 г. П.Л. Капицей [1].
За объяснение явления сверхтекучести в 1962 г. Лев Давидович Ландау был удостоен Нобелевской премии по физике [2].
Двухжидкостная структура (далее ДС) была открыта Л.Д. Ландау [3] и рассматривается как один из дополнительных признаков сверхтекучести жидкости.
Визуализация ДС была разработана применительно к борным оксидным расплавам, содержащим небольшие примеси до 1 % мол. различных металлсодержащих добавок, и является новым физико-химческим методом идентификации признаков, характерных для сверхтекучих жидкостей.
Ранее полученные результаты по исследованию квантовых свойств в борных оксидных расплавах
В результате комплексного изучения физико-химических свойств борных оксидных расплавов в настоящее время установлены такие признаки сверхтекучести:
1. Нулевые значения изменения энтропии [4]. Согласно принципу Больцмана энтропия зависит от количества микросостояний в системе. Чем больше микросостояний, тем выше энтропия расплава. Системы с малым числом микросостояний – это системы, имеющие очень малую возможность конфигурирования, тогда как обладающие большим числом микросостояний – это системы, имеющие множество различных состояний. Энтропию в данном случае следует понимать как меру беспорядка. Можно говорить о том, что снижение количества микросостояний в системе ведёт к снижению энтропии. Отсюда следует вывод о том, что чем более упорядочена система, тем ниже у неё энтропия, то есть при Ω →0, ΔS → 0.
Проявление квантовых свойств возможно только в упорядоченных системах с минимальным числом микросостояний.
2. Перетекание сверхтекучего расплава в виде тончайшего поверхностного слоя.
3. Высокая склонность борных расплавов к формированию центральных квантовых воронок [4].
Рассматривая полученный к настоящему времени экспериментальный материал, можно отметить следующие особенности в части идентификации сверхтекучей компоненты квантовой жидкости.
Прежде всего, необходимо отметить, что в борных оксидных расплавах чистый компонент оксид бора в жидком состоянии при определенных параметрах состояния является носителем квантовых свойств и сверхтекучей жидкостью [4].
Анализ систем B2O3 – R2O (где R2O – оксид металла) – B2O3 [4] позволяет установить следующие положения, которые, очевидно, являются общими:
1. При изучении количественного соотношения В3:В4 (где В3 и В4 – атомы бора с тройной и четверной координацией соответственно) при комнатной температуре приближается к 1, а количество четырехкоординированного бора составляет менее одного процента.
2. С увеличением температуры доля В3 еще более возрастает, а доля В4 уменьшается, и при температуре 950–1000 °С по данным термоэлектрических исследований доля В4 составляет десятые доли процента и менее.
3. При добавлении к чистому B2O3 щелочных компонентов концентрация трехкоординированного бора уменьшается (рис. 1, 2), а концентрация четырехкоординированного бора возрастает.
Рис. 1. Диаграмма «ΔS, αTобщ – состав» системы К2O-B2O3 при температуре: 1 – 680 °С, 2 – 730 °С, 3 – 900 °С, 
– по данным перетекания
Рис. 2. Диаграмма «ΔS, αTобщ – состав» системы Cs2O-B2O3 при температуре: 1 – 690 °С, 2 – 725 °С, 3 – 780 °С, 4 – 840 °С, 5 – 950 °С, 
– по данным перетекания
4. В зависимости от концентрации в расплаве В3 сверхтекучие свойства расплава проявляются или исчезают.
5. Сверхтекучестью, а следовательно и квантовыми свойствами обладают только расплавы с преобладающим содержанием В3. Сверхтекучие расплавы по результатам перетекания приведены в таблице.
Сверхтекучие расплавы
|
Система |
Наличие сверхтекучести |
|
1 % K2O – 99 % B2O3 |
+ |
|
2 % K2O – 98 % B2O3 |
+ |
|
3 % K2O – 97 % B2O3 |
+ |
|
1 % Cs2O – B2O3 |
+ |
|
2 % Cs2O – 98 % B2O3 |
+ |
|
3 % Cs2O – 97 % B2O3 |
+ |
|
4 % Cs2O – 96 % B2O3 |
+ |
|
5 % Cs2O – 95 % B2O3 |
+ |
|
100 % B2O3 |
+ |
|
1 % BaO – 99 % B2O3 |
+ |
|
1 % Co3O4 – 99 % B2O3 |
+ |
6. Полученные результаты дают основание предполагать, что в бинарных системах типа R2O – B2O3 состав компоненты перетекающей жидкости представляет собой сверхтекучий B2O3 .
Методика и результаты исследований двухжидкостной структуры борных оксидных расплавов
Оксидный расплав получают путем плавления тонкодисперсного порошка B2O3 и допирующих добавок BaO или Со3О4 в соотношении
B2O3 – 99,0 мол. %
Оксид металла (далее МО) – 1,0 мол. %.
В исследованиях использовались два различных по составу расплава.
1. В2О3 – 99,0 % : ВаО – 1,0 % мол.
2. В2О3 – 99,0 % : Со3О4 – 1,0 % мол.
На диаграмме состояния [5] (рис. 3) состав 1 находится в крайней точке области ликвации. При варке стекла было установлено, что борно-бариевый расплав 1, оставаясь прозрачным при температуре выше 800 °С, при охлаждении подвергается микроликвации и приобретает равномерный заглушенный молочно-белый цвет. Это свойство и использовалось для визуализации двухжидкостной структуры расплава.
Рис. 3. Диаграмма состояния системы BaO-B2О3
Методика эксперимента следующая: исследуемый расплав наплавляется в платиновой емкости и устанавливается в шахтную печь, нагретую до температуры 950 °С. Расплав выдерживается в печи до полного удаления пузырьков воздуха, после чего выливается на чистую и ровную поверхность и подвергается быстрому охлаждению. Полученный затвердевший расплав разбивается на мелкие части и загружается в ячейку (рис. 4). Ячейка состоит из двух тиглей, вставленных один в другой (диаметр дна малого тигля 13 мм, верхнего обода – 18 мм; диаметр дна большого тигля 20 мм, диаметр верхнего обода – 32 мм). Положение малого тигля фиксируется платиновой проволокой, во избежание его всплытия во время проведения опыта. Далее происходит постепенное наплавление исследуемого состава в ячейку до тех пор, пока объем расплава в большом тигле не достигает верхнего уровня малого тигля. Платиновая ячейка сверху накрывается крышкой. Подготовленная ячейка с помощью корзины опускается в трубчатую печь. При проведении эксперимента не допускается касания платиновой ячейкой стенок печи во избежание влияния блуждающих токов на результаты опыта. Исследуемый расплав выдерживается в печи от 30 минут. После охлаждения в ячейке наблюдаются следующие изменения. Исследуемый расплав в большом тигле приобретает молочно-белый оттенок, при этом перетекший расплав в малом платиновом тигле остается полностью прозрачным (рис. 4). Можно сделать вывод о том, что в малом тигле расплав представляет собой оксид бора.
Следует отметить одну интересную деталь. В малом тигле в сверхтекучей части стекла образуется хорошо видимое невооруженным глазом полупрозрачное колечко, толщиной 3 мм. Сопоставление наблюдаемого явления с аналогичным, которое было выявлено в работе [4] при исследовании жидкого Не II, позволяет установить природу этого эффекта. В данном случае оно связано с внедрением в сверхтекучую жидкость (инжектируемых) ионов, а квантовые вихри, имеющие форму кольца, формируют наблюдаемое в борно-бариевой сверхтекучей части полупрозрачное колечко толщиной 3 мм. В целом оптический эффект связан с проявлением квантовых свойств сверхтекучих борных оксидных расплавов.
Опыты проводились неоднократно и были получены абсолютно идентичные результаты:
– зафиксировано перетекание расплава из большого тигля в малый,
– в объеме перетекшего расплава наблюдается образование дымчатого правильного колечка толщиной 3 мм в каждом опыте. Колечко образуется самопроизвольно, без каких-либо дополнительных воздействий при охлаждении расплава. Совершенно очевидно, что его образование является результатом микроликвации небольшого участка (колечка) сверхтекучего расплава [6].
Для подтверждения процесса визуализации вторая серия опытов проводилась с расплавом оксида бора, окрашенного оксидом кобальта. С этой целью в расплав В2О3 вводился Со3О4 в количестве 1,0 % мол. Исходное борное стекло приобретало при этом интенсивную сине-фиолетовую окраску.
Рис. 4. Платиновая ячейка для исследования сверхтекучести оксидных расплавов, где: Δ l – начальная разность уровней расплава в большом и малом тигле; 1 – малый платиновый тигель; 2 – большой платиновый тигель; 3 – керамическая крышка; 4 – проволочная корзина; 5 – оксидный расплав; 6 – керамическая трубка
После проведения опыта по перетеканию окрашенного расплава по приведенной выше методике (температура эксперимента 1000 °С, выдержка 60 минут) в ячейке наблюдались следующие изменения. Из ячейки 2 (рис. 4), наполненной окрашенным стеклом, произошло перетекание сверхтекучей части расплава в малый тигель. Расплав в малом тигле потерял сине-фиолетовую окраску и оказался полностью прозрачным и бесцветным. Именно такой результат ожидался нами перед проведением опыта.
Все это говорит о воспроизводимости процесса перетекания и подтверждает теоретическую модель двухжидкостной структуры Л.Д. Ландау в борных расплавах.
Выводы
1. Разработана методика выявления двухжидкостной структуры методом визуализации.
2. Установлена двухжидкостная структура в борных расплавах с присутствием в ней части легко перетекающей жидкости.
3. Представленные нами результаты могут объясняться наличием признаков физико-химических свойств сверхтекучей жидкости.
Можно предполагать, что процессы, протекающие в сверхтекучих жидкостях, в частности образование в них двухжидкостной структуры, отличают их от термомеханических процессов, протекающих в нормальных жидкостях.
Наблюдаемые впервые процессы дифференциации двухжидкостного расплава протекают на молекулярном уровне.