Роль парных корреляций в формировании основного состояния и спектра элементарных возбуждений сверхтекучей бозе-жидкости (Обзор)

Анотація

В обзоре обсуждаются парадоксы и противоречия современной микроскопической теории сверхтекучего гелия (He-II) и возможные пути их разрешения с учетом парных корреляций между атомами ⁴He. Показано, что большинство парадоксов связано с исходным общепринятым предположением о превалирующей роли одночастичного бозе-конденсата (ОБК) в квантовой микроструктуре сверхтекучей компоненты r_s . Существование интенсивного ОБК приводит, как известно, к сильной гибридизации ветвей элементарных возбуждений и одинаковому для всех бозонных ветвей закону дисперсии, который отождествляется с экспериментально наблюдаемым по рассеянию медленных нейтронов спектром квазичастиц в жидком гелии E(p) . Однако неизменность этого спектра при приближении к l-точке и большая величина щели в области &quotротонного&quot минимума не согласуются с теоретическим критерием сверхтекучести Ландау и малой величиной экспериментально измеряемой критической скорости. B то же время известно, что в бозе-жидкости ⁴He из-за сильного взаимодействия между частицами ОБК сильно подавлен (составляет не более 1% всех атомов ⁴He) и поэтому не может служить основой сверхтекучей компоненты в отличие от слабонеидеального бозе-газа. Более того, в случае достаточно сильного притяжения между частицами в некоторой области импульсного пpостpанства, в сверхтекучей бозе-жидкости могут образовываться связанные пары бозонов и возникает парный когерентный конденсат (ПКК), аналогичный конденсату куперовских пар в сверхпроводниках. Такой интенсивный ПКК может полностью подавить слабый ОБК. При этом одночастичный спектр элементарных возбуждений e(p) не гибридизуется с коллективным (двухчастичным) спектром и не содержится в структуре динамического формфактора S(p,e), т.е. не совпадает со спектром, измеренным с помощью нейтронного рассеяния. Дисперсия одночастичного спектра определяется импульсной зависимостью парного параметра порядка ỹp) и может иметь минимум или точку перегиба при p не=0 . Эта особенность в одночастичном спектре бозе-жидкости с ПКК без ОБК исчезает вместе с ỹp) при температуре фазового перехода T_c=T_l из сверхтекучего состояния в нормальное (в отличие от ротонного минимума в коллективном спектре), а соответствующая ей критическая скорость n_c=min[e(p)/p] обращается в нуль в l-точке в соответствии с критерием сверхтекучести Ландау и экспериментальными данными. Предположение о том, что в основе квантовой структуры сверхтекучей компоненты r_s лежит интенсивный &quotкуперовский&quot ПКК, косвенно подтверждается, с одной стороны, успешным применением приближения Джастрова, которое учитывает сильные парные корреляции, для описания свойств жидкого ⁴He и растворов квантовых жидкостей ³He -⁴He, а с другой стороны, аномально большой эффективной массой примесных атомов ³He в ⁴He, которая близка по величине к суммарной массе атомов ³He и ⁴He, что свидетельствует о существовании связанных пар атомов гелия в сверхтекучей жидкости He-II. Обсуждается вопрос о величине кванта циркуляции сверхтекучей скорости в вихрях Онсагера-Фейнмана в бозе-жидкости с ПКК без ОБК, а также проблема критических скоростей сверхтекучего ⁴He в сверхтонких пленках и каналах, в которых невозможно рождение и движение квантовых вихрей и происходит размерное квантование спектра квазичастиц.