Журнал Q 10 2012

   Было достаточно понятно, что оперируя только фононами никакой сверхтекучести получить невозможно. Что же сделал Ландау в своей работе 1941 года? - Он предположил, что в гелии, как и в любой жидкости, может существовать не только поступательное, но и вращательное движение. Если такое движение тоже квантуется, то должны существовать соответствующие кванты вращательного движения, которые Ландау, с легкой руки Игоря Евгеньевича Тамма, назвал "ротонами". Свойства вращательного движения в жидкости существенно отличаются от свойств поступательного. Зависимость энергии от импульса для этих гипотетических ротонов тоже показана на рисунке 1. Предположив одновременное существование и фотонов, и ротонов, Ландау продемонстрировал, что в такой системе могут наблюдаться явления, чрезвычайно похожие на экспериментально обнаруженную сверхтекучесть.

   Должен сказать, что, хотя само предположение о вращательном происхождении ротонов оказалось ошибочным, квантовые частички, обладающие всеми свойствами придуманных ротонов в гелии действительно оказались. Было ли это случайностью? - Отнюдь! Ландау нашел тот единственный вид спектра, который мог привести к сверхтекучести. Недоразумение с вращательным движением было исправлено в следующей работе Ландау (1948 год), где он проанализировал эксперименты В.П. Пешкова по распространению тепловых волн в сверхтекучем гелии и понял, что в гелии нет двух типов квантовых частичек и нет двух кривых энергетического спектра. Энергетический спектр сверхтекучего гелия выглядит, как одна единственная кривая и он показан на рисунке 2. Как вы видите, тут есть и линейная часть, соответствующая фононам, и ротонный минимум. Через многие годы, когда экспериментаторы научились изучать энергетические спектры по рассеянию нейтронов, кривая, показанная на рисунке 2 и опубликованная Ландау в его статье 1948 года, полностью подтвердилась.

Рис. 2.

   Скажу еще несколько слов о ротонах. Уж больно удивительные это частицы. Наклон кривой, показанной на рисунке 2, дает нам скорость движения частиц в реальном пространстве. Если мы возьмем ротон, находящийся в самом минимуме, то увидим, что его скорость (наклон кривой) равна нулю, а импульс не только нулю не равен, но и очень велик. Как же, спросите вы меня, это может получиться, если импульс равен произведению скорости на массу? - Разбирать это здесь, увы, невозможно. Скажу только, что квантовая механика - это совершенно удивительная наука и в ней еще не такие "чудеса" возможны.