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Quantenflüssigkeit Eine auch Superflüssigkeiten ist eine Flüssigkeit in der Quanteneffekte auftreten und die nicht mehr

Quantenflüssigkeit

Eine Quantenflüssigkeit (auch: Superflüssigkeiten) ist eine Flüssigkeit, in der Quanteneffekte auftreten und die nicht mehr mit der klassischen statistischen Mechanik beschrieben werden kann.

Quantenflüssigkeiten können Suprafluidität aufweisen und lassen sich nach der zugrunde liegenden Quantenstatistik einteilen in:

Die Existenz des flüssigen Heliums bei beliebig niedrigen Temperaturen ist ein makroskopischer Quanteneffekt.

1998 bekamen Robert B. Laughlin (USA), Horst Ludwig Störmer (Deutschland) und Daniel Chee Tsui (USA) den Nobelpreis für Physik „für ihre Entdeckung einer neuen Art von Quantenflüssigkeit mit fraktionell geladenen Anregungen“ (es geht dabei im Wesentlichen um den gebrochenzahligen Quanten-Hall-Effekt).

Unterschiede zur klassischen Physik Bearbeiten

Im klassischen Bereich ist die kinetische Energie je Teilchen der Atommasse von der Größenordnung der thermischen Energie

mit

Daraus ergibt sich für den Impuls:

und für die Wellenlänge nach de Broglie:

mit dem Planckschen Wirkungsquantum .

Deshalb sind Quanteneffekte für niedrige Temperaturen zu erwarten, die umso stärker sind, je kleiner die Atommassen sind.

In der Nähe von müssten nach der klassischen Mechanik alle Substanzen kristallisieren bzw. erstarren, da keine kinetische Energie mehr vorhanden ist und Atome wegen der Forderung nach minimaler potentieller Energie stets in einer regulären Gitterstruktur angeordnet sein sollten. Die Nullpunktsenergie ist bei Quantenflüssigkeiten jedoch so groß, dass kein Übergang des Systems in die feste Phase erlaubt ist.

Literatur Bearbeiten

Fachartikel Bearbeiten

  • M. Bonitz, Zh. A. Moldabekov, T. S. Ramazanov: Quantum hydrodynamics for plasmas - Quo vadis? In: Physics of Plasmas. Band 26, Nr. 9, 1. September 2019, S. 090601, doi:10.1063/1.5097885 (englisch).

Fachbücher Bearbeiten

  • Georg Wolschin: Hydrodynamik der Superflüssigkeiten. In: Hydrodynamik. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 2021, ISBN 978-3-662-64143-9, S. 159–169, doi:10.1007/978-3-662-64144-6_11.
  • Lev Pitaevskii, S. Stringari: Bose-Einstein Condensation and Superfluidity (= International Series of Monographs on Physics. Band 164). 1. Auflage. Oxford University Press, Oxford, United Kingdom 2016, ISBN 978-0-19-875888-4 (englisch).
  • Carlo Barenghi, Nick G. Parker: A Primer on Quantum Fluids (= SpringerBriefs in Physics). Springer International Publishing, Cham 2016, ISBN 978-3-319-42474-3, doi:10.1007/978-3-319-42476-7, arxiv:1605.09580 [abs] (englisch).
  • Anthony James Leggett: Quantum Liquids. Oxford University Press, 2006, ISBN 978-0-19-852643-8, doi:10.1093/acprof:oso/9780198526438.001.0001 (englisch).
  • James F. Annett: Superconductivity, superfluids, and condensates (= Oxford master series in condensed matter physics). Oxford University Press, Oxford ; New York 2004, ISBN 978-0-19-850755-0 (englisch, archive.org).
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Eine Quantenflussigkeit auch Superflussigkeiten ist eine Flussigkeit in der Quanteneffekte auftreten und die nicht mehr mit der klassischen statistischen Mechanik beschrieben werden kann Quantenflussigkeiten konnen Suprafluiditat aufweisen und lassen sich nach der zugrunde liegenden Quantenstatistik einteilen in Fermi Flussigkeiten z B flussiges 3He oder Leitungselektronen in Metallen im Dreidimensionalen an ihre Stelle tritt im Eindimensionalen die Luttingerflussigkeit die ungewohnliche Eigenschaften aufweist Bose Flussigkeiten z B flussiges 4He Die Existenz des flussigen Heliums bei beliebig niedrigen Temperaturen ist ein makroskopischer Quanteneffekt 1998 bekamen Robert B Laughlin USA Horst Ludwig Stormer Deutschland und Daniel Chee Tsui USA den Nobelpreis fur Physik fur ihre Entdeckung einer neuen Art von Quantenflussigkeit mit fraktionell geladenen Anregungen es geht dabei im Wesentlichen um den gebrochenzahligen Quanten Hall Effekt Inhaltsverzeichnis 1 Unterschiede zur klassischen Physik 2 Literatur 2 1 Fachartikel 2 2 FachbucherUnterschiede zur klassischen Physik BearbeitenIm klassischen Bereich ist die kinetische Energie je Teilchen der Atommasse m displaystyle m nbsp von der Grossenordnung der thermischen Energie k T displaystyle k cdot T nbsp E k i n 1 2 p 2 m k T displaystyle E mathrm kin frac 1 2 cdot frac p 2 m approx k cdot T nbsp mit Impuls p m v displaystyle p m cdot v nbsp Geschwindigkeit v displaystyle v nbsp Boltzmann Konstante k displaystyle k nbsp absolute Temperatur T displaystyle T nbsp Daraus ergibt sich fur den Impuls p m k T displaystyle Rightarrow p simeq sqrt m cdot k cdot T nbsp und fur die Wellenlange nach de Broglie l h p h m k T displaystyle Rightarrow lambda h p simeq frac h sqrt m cdot k cdot T nbsp mit dem Planckschen Wirkungsquantum h displaystyle h nbsp Deshalb sind Quanteneffekte fur niedrige Temperaturen T displaystyle T nbsp zu erwarten die umso starker sind je kleiner die Atommassen m displaystyle m nbsp sind In der Nahe von T 0 displaystyle T 0 nbsp mussten nach der klassischen Mechanik alle Substanzen kristallisieren bzw erstarren da keine kinetische Energie mehr vorhanden ist und Atome wegen der Forderung nach minimaler potentieller Energie stets in einer regularen Gitterstruktur angeordnet sein sollten Die Nullpunktsenergie ist bei Quantenflussigkeiten jedoch so gross dass kein Ubergang des Systems in die feste Phase erlaubt ist Literatur BearbeitenSiehe auch Gross Pitaevskii Gleichung Fachartikel Bearbeiten M Bonitz Zh A Moldabekov T S Ramazanov Quantum hydrodynamics for plasmas Quo vadis In Physics of Plasmas Band 26 Nr 9 1 September 2019 S 090601 doi 10 1063 1 5097885 englisch Fachbucher Bearbeiten Georg Wolschin Hydrodynamik der Superflussigkeiten In Hydrodynamik Springer Berlin Heidelberg Berlin Heidelberg 2021 ISBN 978 3 662 64143 9 S 159 169 doi 10 1007 978 3 662 64144 6 11 Lev Pitaevskii S Stringari Bose Einstein Condensation and Superfluidity International Series of Monographs on Physics Band 164 1 Auflage Oxford University Press Oxford United Kingdom 2016 ISBN 978 0 19 875888 4 englisch Carlo Barenghi Nick G Parker A Primer on Quantum Fluids SpringerBriefs in Physics Springer International Publishing Cham 2016 ISBN 978 3 319 42474 3 doi 10 1007 978 3 319 42476 7 arxiv 1605 09580 abs englisch Anthony James Leggett Quantum Liquids Oxford University Press 2006 ISBN 978 0 19 852643 8 doi 10 1093 acprof oso 9780198526438 001 0001 englisch James F Annett Superconductivity superfluids and condensates Oxford master series in condensed matter physics Oxford University Press Oxford New York 2004 ISBN 978 0 19 850755 0 englisch archive org Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Quantenflussigkeit amp oldid 231287889