Tieftemperaturphysik

ISBN-13: 9783642632020 / Niemiecki / Miękka / 2012 / 465 str.

Christian Enss; Siegfried Hunklinger

Opis

Das Buch bietet eine kompakte Zusammenstellung der wichtigsten Phanomene in der Tieftemperaturphysik, die sowohl Studenten (mit dieser Vertiefungsrichtung im Hauptstudium), als auch Doktoranden, Wissenschaftlern und Ingenieuren, die auf diesem Gebiet tatig sind, als Lehrbuch dienen kann. Es eignet sich als Grundlage fur entsprechende Vorlesungen."

Spis treści

1. Helium — Grundlegende Eigenschaften.- 1.1 Allgemeines.- 1.2 Van der Waals-Bindung.- 1.3 Thermodynamische Eigenschaften.- 1.3.1 Dichte.- 1.3.2 Spezifische Wärme.- 1.3.3 Latente Wärme.- 1.4 Phasendiagramm.- 1.4.1 4He.- 1.4.2 3He.- 2. Suprafluides 4He—Helium-II.- 2.1 Experimentelle Beobachtungen.- 2.1.1 Viskosität und Suprafluidität.- 2.1.2 Becherexperimente.- 2.1.3 Thermomechanischer Effekt.- 2.1.4 Wärmetransport.- 2.1.5 Zweiter Schall.- 2.2 Zwei-Flüssigkeits-Modell.- 2.2.1 Zwei-Flüssigkeits-Hydrodynamik.- 2.2.2 Schallausbreitung.- 2.2.3 Viskositätsmessungen und Becherexperimente.- 2.2.4 Andronikashvili-Experiment.- 2.2.5 Thermomechanischer Effekt.- 2.2.6 Wärmetransport.- 2.2.7 Impuls des Wärmeflusses.- 2.3 Bose-Einstein-Kondensation.- 2.3.1 Ideales Bose-Gas.- 2.3.2 Helium.- 2.4 Anregungsspektrum von Helium-II.- 2.4.1 Phononen und Rotonen.- 2.4.2 Spezifische Wärme.- 2.4.3 Konzept der kritischen Geschwindigkeit VIII Inhaltsverzeichnis.- 2.5 Quantisierung der Zirkulation.- 2.5.1 Wellenfunktion der suprafluiden Komponente.- 2.5.2 Helium-II unter Rotation.- 2.6 Kritische Geschwindigkeit—Experimente.- 2.6.1 Bewegung von Ionen in flüssigem Helium.- 2.6.2 Flußexperimente.- 2.7 Kritisches Verhalten am ?-Punkt.- 2.7.1 Spezifische Wärme.- 3. Normalfluides 3He.- 3.1 Ideales Fermi-Gas — Vergleich mit flüssigem 3He.- 3.1.1 Spezifische Wärme.- 3.1.2 Suszeptibilität.- 3.1.3 Transporteigenschaften.- 3.1.4 Quantitativer Vergleich: 3He und ideales Fermi-Gas.- 3.2 Schmelzkurve.- 3.3 Landau-Theorie der Fermi-Flüssigkeit.- 3.3.1 Quasiteilchenkonzept.- 3.3.2 Wechselwirkungsfunktion.- 3.3.3 Anwendung der Landau-Theorie auf normalfluides 3He.- 3.4 Nullter Schall.- 3.4.1 Longitudinale Schallausbreitung.- 3.4.2 Transversale Schallausbreitung.- 3.4.3 Stoßfreie Spinwellen.- 3.4.4 Abschließende Bemerkungen zur Landau-Theorie.- 4. Suprafluides 3He.- 4.1 Grundlegende experimentelle Beobachtungen.- 4.1.1 Phasendiagramm.- 4.1.2 Spezifische Wärme.- 4.1.3 Suprafluidität.- 4.1.4 Relevanz des Zwei-Flüssigkeits-Modells für 3He.- 4.1.5 Kernspinresonanz (NMR).- 4.2 Quantenzustände von suprafluidem 3He.- 4.3 Eigenschaften der suprafluiden Phasen von 3He.- 4.3.1 3He A-Phase.- 4.3.2 Textur.- 4.3.3 3He-A1 und 3He-B.- 4.3.4 Energielücke.- 4.3.5 Suprafluides 3He unter Rotation.- 4.3.6 Kollektive Anregungen — Schallausbreitung.- 5. 3He/4He-Mischungen.- 5.1 Spezifische Wärme und Phasendiagramm.- 5.1.1 Verdünnte Lösungen von 3He in Helium-II.- 5.2 Normalfluide Komponente.- 5.2.1 Andronikashvili-Experiment.- 5.2.2 Osmotischer Druck.- 5.3 Transporteigenschaften.- 5.3.1 Wärmetransport.- 5.3.2 Viskosität.- 5.3.3 Selbstdiffusionskoeffizient.- 6. Phononen.- 6.1 Spezifische Wärme — Debyesche Theorie.- 6.1.1 Bedeutung der Debye-Temperatur.- 6.1.2 Zweidimensionale Systeme.- 6.2 Wärmetransport.- 6.2.1 Experimentelle Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit.- 6.2.2 Temperaturverlauf der Wärmeleitfähigkeit in dielektrischen Kristallen.- 6.2.3 Phonon-Phonon-Streuung.- 6.2.4 Defektstreuung.- 6.3 Einfluß von N-Prozessen auf den Wärmetransport.- 6.3.1 Poiseuille-Fluß.- 6.3.2 Zweiter Schall.- 6.4 Ballistische Ausbreitung von Phononen.- 6.4.1 Phononenfokussierung.- 6.4.2 Zeitaufgelöste Messungen der Phononenausbreitung.- 7. Leitungselektronen.- 7.1 Spezifische Wärme.- 7.1.1 Leitungselektronen in einfachen Metallen.- 7.1.2 Metalle mit „schweren“ Elektronen.- 7.2 Elektrische Leitfähigkeit.- 7.2.1 Boltzmann-Gleichung, Ladungstransport.- 7.2.2 Matthiesensche Regel.- 7.2.3 Streuung von Elektronen an Verunreinigungen.- 7.2.4 Elektron-Phonon-Streuung.- 7.2.5 Elektron-Magnon-Streuung.- 7.3 Thermische Leitfähigkeit von Metallen.- 7.4 Kondo-Effekt.- 7.4.1 Einfluß der freien Elektronen auf lokale magnetische Momente.- 7.4.2 Streuung von Leitungselektronen an lokalisierten magnetischen Momenten.- 7.4.3 Kondo-Widerstand.- 7.5 Schwer-Fermion-Systeme.- 7.5.1 Elektrischer Widerstand.- 7.5.2 Suszeptibilität.- 7.5.3 Spezifische Wärme.- 8. Spins.- 8.1 Paramagnetische Systeme — Isolierte Spins.- 8.1.1 Magnetisches Moment.- 8.1.2 Suszeptibilität.- 8.1.3 Spezifische Wärme.- 8.2 Spinwellen — Magnonen.- 8.2.1 Ferromagnete.- 8.2.2 Antiferromagnete.- 8.3 Spingläser.- 8.4 Magnetische Ordnung von Kernspins.- 8.4.1 Systeme mit starker Elektron-Kern-Kopplung.- 8.4.2 Systeme mit schwacher Elektron-Kern-Kopplung.- 8.5 Negative Spintemperaturen.- 8.5.1 Thermodynamik bei negativen Temperaturen.- 8.5.2 Kernordnung.- 8.5.3 Stimulierte Emission.- 9. Tunnelsysteme.- 9.1 Beschreibung als Zwei-Niveau-Systeme.- 9.1.1 Doppelmuldenpotentiale.- 9.1.2 Kopplung an elektrische und elastische Felder.- 9.1.3 Relaxationsprozesse.- 9.1.4 Relaxationszeiten.- 9.1.5 Resonante Wechselwirkung.- 9.2 Isolierte Tunnelsysteme in Kristallen.- 9.2.1 Termschema.- 9.2.2 Spezifische Wärme.- 9.2.3 Einfluß auf die Wärmeleitung von dielektrischen Kristallenx.- 9.2.4 Level-Crossing.- 9.2.5 Dielektrische Suszeptibilität.- 9.2.6 Schallgeschwindigkeit.- 9.3 Wechselwirkende Tunnelsysteme in Kristallen.- 9.3.1 Dielektrische Eigenschaften.- 9.3.2 Theoretische Beschreibung.- 9.3.3 Dielektrische Suszeptibilität im Modell von Würger.- 9.4 Asymmetrische Tunnelsysteme in Kristallen.- 9.4.1 Nb:O,H und Nb:O,D.- 9.4.2 CN- in KBr:KCl.- 9.5 Amorphe Dielektrika.- 9.5.1 Spezifische Wärme.- 9.5.2 Einfluß auf die Wärmeleitfähigkeit.- 9.5.3 Relaxationsabsorption.- 9.5.4 Resonante Absorption.- 9.5.5 Schallgeschwindigkeit und Dielektrizitätskonstantex.- 9.6 Metallische Gläser.- 9.7 Echoexperimente.- 10. Supraleitung.- 10.1 Experimentelle Beobachtungen.- 10.1.1 Sprungtemperatur.- 10.1.2 Meißner-Ochsenfeld-Effekt.- 10.1.3 Supraleiter 1. Art.- 10.1.4 Supraleiter 2. Art.- 10.2 Thermodynamik der Supraleitung.- 10.3 Phänomenologische Beschreibung.- 10.3.1 London-Gleichung.- 10.3.2 Pippard-Gleichung.- 10.3.3 Ginzburg-Landau-Theorie.- 10.4 Mikroskopische Theorie der Supraleitung.- 10.4.1 Cooper-Paare.- 10.4.2 BCS-Grundzustand.- 10.4.3 Anregung des BCS-Grundzustandes.- 10.4.4 BCS-Zustand bei endlicher Temperatur.- 10.4.5 Nachweis einer Energielücke.- 10.4.6 Tunnelexperimente.- 10.4.7 Kritischer Strom und kritisches Magnetfeld.- 10.5 Makroskopische Wellenfunktion.- 10.5.1 Flußquantisierung.- 10.5.2 Paartunneln — Josephson-Effekte.- 10.5.3 Supraleitende Magnetometer — SQUID.- 10.6 Supraleitung in speziellen Materialien.- 10.6.1 Magnetische Supraleiter.- 10.6.2 Schwer-Fermion-Supraleiter.- 10.6.3 Organische Supraleiter.- 10.6.4 Hochtemperatursupraleiter.- 11. Erzeugung tiefer Temperaturen.- 11.1 Verflüssigung von Gasen.- 11.1.1 Kühlung mit Expansionsmaschinen.- 11.1.2 Joule-Thomson-Entspannung.- 11.2 Einfache Heliumkryostate.- 11.2.1 Badkryostat.- 11.2.2 Verdampferkryostate.- 11.3 Verdünnungskryostat.- 11.3.1 Kühlmechanismus.- 11.3.2 Prinzipieller Aufbau eines Verdünnungskryostaten .....- 11.3.3 Problem des Wärmewiderstands.- 11.3.4 Kühlleistung.- 11.4 Pomeranchuk-Kühlung.- 11.4.1 Kühlung durch Verfestigung von 3He.- 11.4.2 Technische Realisierung.- 11.4.3 Kühlleistung.- 11.5 Adiabatische Entmagnetisierung.- 11.5.1 Kühlmechanismus.- 11.5.2 Kühlkapazität und Endtemperatur.- 11.5.3 Elektronenspin — Paramagnetische Salze.- 11.6 Kühlung durch Kernentmagnetisierung.- 11.6.1 Elektron-Kern-Kopplung.- 11.6.2 Einfluß von Wärmeeinträgen.- 11.6.3 Wärmelecks.- 11.6.4 Technische Realisierung.- 12. Thermometrie.- 12.1 Primärthermometer.- 12.1.1 Gasthermometer.- 12.1.2 Dampfdruckthermometer.- 12.1.3 3He-Schmelzkurventhermometer.- 12.1.4 Rauschthermometer.- 12.1.5 Supraleiter-Fixpunkt-Thermometer.- 12.1.6 Kernorientierungsthermometer.- 12.1.7 Mössbauer-Effekt-Thermometer.- 12.1.8 Osmotischer Druck von 3He in 4He.- 12.2 Sekundärthermometer.- 12.2.1 Widerstandsthermometer.- 12.2.2 Thermoelemente.- 12.2.3 Kapazitätsthermometer.- 12.2.4 Magnetisierungsthermometer.- 12.2.5 Kernspinresonanzthermometer.

O autorze

Prof. Dr. Siegfried Hunklinger ist seit 1982 Professor am Kirchhoff-Institut für Physik der Universität Heidelberg. 1977 erhielt er den Walter-Schottky-Preis für Festkörperphysik der Deutschen Physikalischen Gesellschaft und 1999 die renommierte Stern-Gerlach-Medaille der DPG für seine langjährigen herausragenden experimentellen Arbeiten auf dem Gebiet der Physik amorpher Festkörper. Prof. Hunklingers Untersuchungen zu den Tieftemperatureigenschaften mit Hilfe von Ultraschall- und dielektrischen Methoden haben entscheidend zum Verständnis des Verhaltens der Gläser beigetragen, das, wie er zeigte, bei tiefen Temperaturen vor allem durch quantenmechanisches Tunneln von Atomen bestimmt ist. Ausgeprägter Praxisbezug kennzeichnet viele Arbeiten von Siegfried Hunklinger, zum Beispiel seine Forschung über neue Methoden der Sensorik mit akustischen Oberflächenwellen. Zum Technologietransfer trug er durch Mitwirkung bei der Gründung neuer Firmen mit heute über 150 Mitarbeitern effektiv bei. Hervorzuheben ist auch sein besonderer Einsatz und die wirksame Hilfe bei der Errichtung der ersten Fakultät für Physik an der chinesischen Tongji-Universität.

Blurb

Die außergewöhnlichen Eigenschaften der Quantenflüssigkeiten 3He und 4He werden dargestellt. Es werden die grundlegenden experimentellen Beobachtungen geschildert und die Konzepte zur theoretischen Beschreibung diskutiert. Hierbei werden u. a. das Zwei-Flüssigkeits-Modell, die Bose-Einstein-Kondensation und das Konzept der Fermi-Flüssigkeit behandelt. Spezielle Aspekte der Tieftemperatureigenschaften von Festkörpern werden vorgestellt. Einige wichtige Schwerpunkte sind der Poiseuille-Wärmefluss, die Ausbreitung von Zweitem Schall, der Kondo-Effekt, Schwer-Fermionen-Systeme, Kernspinordnung bei positiven und negativen Temperaturen, Spingläser, Tunnelsysteme und Supraleitung. Ein weiterer Teil des Buches befasst sich mit der Darstellung von Methoden zur Erzeugung und Messung tiefer Temperaturen. Hier wird auf die Gasverflüssigung (Stickstoff, Helium) und auf die wichtigsten Kühlmethoden, wie die 3He/4He-Mischungskühlung sowie die adiabatische Entmagnetisierung, eingegangen.