HAL Id: jpa-00206765
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Submitted on 1 Jan 1969
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Effets de taille dans l’hélium superfluide - II. Étude par une méthode de fonctionnelle
K. Maki, E. Guyon
To cite this version:
K. Maki, E. Guyon. Effets de taille dans l’hélium superfluide - II. Étude par une méthode de fonction-
nelle. Journal de Physique, 1969, 30 (1), pp.63-70. �10.1051/jphys:0196900300106300�. �jpa-00206765�
EFFETS DE TAILLE DANS
L’HÉLIUM SUPERFLUIDE
II.ÉTUDE
PAR UNEMÉTHODE
DEFONCTIONNELLE
Par K.
MAKI,
Department of Physics, Tôhoku University, Sendai, Japon,
et
E. GUYON,
Laboratoire de Physique des Solides
(1),
Faculté des Sciences, 9I-Orsay.(Reçu
le 22 avril 1968, révisé le 4septembre.)
Résumé. 2014 Nous
présentons
un modèles’appuyant
sur ladescription
des transitions dephase
de Landau, décrivant lespropriétés critiques
de l’héliumsuperfluide,
enparticulier
lasingularité logarithmique
de la chaleurspécifique
aupoint
lambda que neprédisait
pas la théorie initiale deGinzburg-Pitaevskii.
Lespropriétés
dusystème
ydépendent
crucialement des fluctuations duparamètre
d’ordre. Nous calculons aussi la densitésuperfluide qui
est enbon accord avec les résultats
expérimentaux
récents. Nous discutons lespropriétés critiques
de l’hélium dues aux effets de taille :
déplacement
de latempérature d’apparition
de l’étatsuperfluide T0
et chaleurspécifique
et densitésuperfluide
auvoisinage
de T0.Abstract. 2014 This paper
presents
a model of the critical behavior of thesuperfluid phase
of helium consistent with the
general
idea of thephase
transition of Landau. The modelexplains
thelogarithmic singularity
of the bulk helium at the lambdapoint
which is not obtainedin the
original theory
ofGinzburg
and Pitaevskii. Here the fluctuations of the order para- meterplay
a dominant role in theproperties
of the system. In the framework of this modelwe can calculate the
superfluid density
ingood
agreement with recentexpérimental
results.Making
asimple assumption
on thegeometrical configuration
we discuss the criticalproperties
of helium due to size effects : shift in the transition
temperature T0
andspecific
heat andsuperfluid density
nearT0.
A. Introduction. -
Ginzburg
et Pitaevskii[1]
(G.P.)
ont donne une discussionth6orique
des effetsde taille dans 1’He II que nous avons utilis6e
prece-
demment sous une forme modifi6e
[2].
Leur theorieest semblable a celle de
Ginzburg
et Landau pour lessupraconducteurs
et utilise la notion d’unparametre
d’ordre
superfluide complcxe, §(r).
Sonamplitude
est le module d’une fonction d’onde effective. Dans
un
systeme
sansinteraction, § )
estidentique
a ladensite
d’occupation
de 1’etat fondamental dusysteme
de bosons. Mais cette identification n’est pas
possible
dans le
systeme
eninteraction. §
est alors la fonction d’onde caract6risant 1’etatsuperfluide.
Enparticulier, [ § )2
-+ 0quand
T --->Tx.
Nous ne chercherons pas dans cetraitement,
ou nous utiliserons la notion deparametre d’ordre,
a en donner une definition micro-scopique.
Le traitement de G.P. ne permet pas de d6crire lasingularité logarithmique
de la chaleursp6ci- fique
de 1’He II massif aupoint
?,. On a attribu6 cette(1)
Laboratoire associe au Centre National de la Re- chercheScientifique.
faiblesse du traitement au fait que Fen ne peut pas
en
general
écrire1’energie
libre end6veloppement
limit6 en
puissance
duparametre
d’ordre.Nous
pr6sentons
ici un modelephénoménologique
que nous discutons en deux
parties. D’abord,
nousd6crivons ce modele pour 1’He II massif. 11 est en
accord avec l’id6e
g6n6rale
des transitions dephase, d6gag6e
parLandau,
et il permetd’expliquer
lecomportement singulier
de la chaleurspécifique
aT,.
Dans ce
modele,
les fluctuations duparametre
d’ordrejouent
un role determinant dans lespropri6t6s
thermo-dynamiques
dusysteme.
On peut considerer en fait que lapartie
bassefrequence
des excitations normalesest celle
qui
est associ6e aux fluctuations duparametre
d’ordre. On peut
calculer,
dans cecadre,
la densitesuperfluide,
en bon accord avec les resultatsexperi-
mentaux.
Ensuite,
nous utilisons ce modele a 1’etudedes effets de taille dans 1’He II. Nous utilisons un
modele
simplifi6
pour d6crire laconfiguration geome- trique
dusysteme.
On peut ainsi estimer la modifica- tion de la variation detemperature
d’etablissement de 1’etatsuperfluide To,
la chaleursp6cifique
et la densiteArticle published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:0196900300106300
64
superfluide pres
deTo.
On discute ces resultats a lalumiere des r6sultats
experimentaux présentés
dans lapartie
I[2].
B. Modèle
théorique.
- La theorie de G.P. n’ex-plique
pas lasingularite logarithmique
deC,(T),
mais elle rend compte seulement de sa discontinuite finie a
T,.
Si on tient compte de 1’effet de fluctuations duparametre
d’ordre dans lesequations
de G.P. nonmodifi6es,
comme cela a ete fait par Thouless[3]
dansle cas
supraconducteur,
on obtient unedivergence trop
forte deCp(T)
en(T).
-T)-1/2.
En identifiant la densite
superfluide Ps(T)/p
avecla valeur a
1’6quilibre
duparametre d’ordre o [2,
on obtient une variation lin6aire en
(Tx - 7")
de ladensite
superfluide
en contradiction avec lesexp6-
riences
[4] qui pr6disent une
forme :Ps/p(T) == C(T). - T)2/3
avec C -1,43. (1)
Meme si on tient
compte
des fluctuations du para- m6tred’ordre,
comme nous le ferons dans le modele de G.P. modifi6 que nouspr6sentons,
on n’obtient pas ladependance experimentale (1)
mais unedependance en! I Tx - TI1/2.
Le modele de G.P. repose sur deux
hypotheses : a )
A(la
differenced’6nergie
libre entre 1’etatnormal et 1’6tat
superfluide)
peut etred6velopp6
enpuissance
duparametre
d’ordret.J;2;
b)
Le termed’6nergie cin6tique
associe aux varia-tions
spatiales de §
est donne par(1 /2M) [ V§ 2 [5].
M est
pris
comme la masse de 1’atome d’h6lium.On peut montrer que
1’hypothese b) correspond
Aune correlation
spatiale
des fluctuations duparametre
d’ordre du type Orstein-Zernike
[6] (c’est-a-dire
uneloi en r-1 pour des
grandes
distancesr )
aupoint
X[7].
Ce
comportement
n’est pas en accord avec uneanalyse th6orique
r6cente de Fisher[8].
Deplus,
un calcul dePatashinski et Pokrovski
[9] pr6dit
unspectre
d’exci- tation des fluctuations duparametre
d’ordre diff6rent de la theorie de G.P.(hypothese b) ) .
Nous proposons ici une
expression
differente de celle de G.P. en 6crivant1’expression
fonctionnelle suivante pour A :ou a =
ao(Tx
-T ) ; ao, b
et A sontpris
constantsau
voisinage
dupoint
?,.Le terme
d’6nergie cinetique A (§ + (- V2) 3’4 §
d3 r aune
signification
seulement par sa transformée deFourier,
c’est-a-dire dans1’espace
des moments :Vest le volume du
systeme.
Comme nous 1’avonsindique
enI, y;
estsimplement
unparametre pheno- m6nologique
d6crivant 1’etatsuperfluide
et nous necherchons pas a l’identifier a une
quantite
micro-scopique
ou a la densitesuperfluide.
A
partir
de cette fonctionnelle(2),
on peut calculer la moyennethermodynamique
den’importe quelle quantite physique A(y;) :
D (y;)
est la mesure fonctionnellequi
est donn6e par :et {fp(r)}
constitue une basecomplete
de fonctions orthonormalisees.En
particulier,
si on choisit comme base les fonctionsPar
exemple,
la fonction de correlation des fluc- tuations duparametre
d’ordre est donnee par :Dans un
systeme homogene
etisotrope,
on voitfacilement que
G(r, r’)
nedepend
quede r - r’ I.
Dans ce cas, il est
plus simple
de considerer la trans-form6e de Fourier de
G(r
-r’) :
puisque
les fonctions propres del’op6rateur
sont les fonctions d’ondes
planes :
Dans le cas T >
7B,
la valeurd’equilibre
duparametre
d’ordre est6gale
a zero et onpeut negliger
le terme non lin6aire de
(2) qui
est d’ordresup6rieur
dans le
champ
de fluctuation duparametre
d’ordre.On a :
.
Dans le cas T
T).,
la valeurd’équilibre
duparametre
d’ordre est donneepar I Y;o 12
=alb
et ilfaut utiliser la forme
complete (2).
Si onprend
seule-ment les termes
quadratiques
duchamp
de fluctua-tions,
on a :lYfl
est legain d’energie
libre a 1’6tatsuperfluide lorsqu’on neglige
les fluctuations.Dans la demonstration du resultat
(13),
on utilisela relation
(8)
et :On a utilise l’invariance de translation sur les mo- ments. En
particulier,
on voitqu’il
ne peut pas y avoir de terme d’ordreco.
Finalement,
on a :Dans le cas T >
7B, G(p) a
un seulpole.
Labande interdite dans le
spectre
s’annulequand
T -Tx.
Dans le cas T
Tx, G(p)
a deuxpoles.
Unebranche du
spectre
est sans bande interdite et corres-pond
aux fluctuations de laphase
duparametre
d’ordre a
1’equilibre (pour
deuxsystemes
d6finis avecdes
phases
differentes1’energie
de 1’etat fondamentalest la
meme) .
Cettepropriete
estcaracteristique
dessystemes
a 1’etat condense. Une autre branche de cespectre
(fluctuations d’amplitude)
devient sans bandeinterdite dans la limite T -
7B [11].
Nous allons voir que c’est cette branchequi
contribue auxsingula-
rit6s des
quantités thermodynamiques
aTx.
C. Chaleur
spdcifique.
- Nous nous limitons aucas T
T,.
Afin de calculer la chaleurspécifique,
on determine le
potentiel thermodynamique qui
estdonne par la relation
g6n6rale [12] :
Nous nous int6ressons au
comportement singulier
dela chaleur
sp6cifique.
La contribution laplus impor-
tante des fluctuations
provient
alors des fluctuations de basseenergie
Ep -+ 0. Dans cettelimite, 1’expres-
sion
(16)
se r6duit a :et :
L’6nergie
decoupure Ec
=A c
estprise
ind6-pendante
de T : la valeur limite Pcpourrait
etreconnue si on connaissait le
spectre d’energie
pour des valeurs suffisammentgrandes
dep,
c’est-a-dire les corrections d’ordreplus
élevéen p
dans1’energie
libre
(2).
Dans le cadre du modelepresent,
on nesait pas calculer ces corrections.
(Dans
le cas supra-conducteur,
onpeut
calculer la correction correspon- dante a1’6quation
deGinzburg-Landau
et on trouveque
p,
est de l’ordre de l’inverse de lalongueur
decoherence
ind6pendante
de latempérature Ço [13].)
Les fluctuations donnent lieu au terme de
singularite logarithmique
deC, (T) :
Ceci est en accord avec les r6sultats
experimentaux
de
Fairbank, Buckingham
et Kellers[14].
En uni-t6s
C.G.S.,
on a :66
Cependant,
le spectre de fluctuations donne par(14)
et
(15)
n’est passym6trique
de part et d’autre deTa.
Le coefficient du terme
logarithmique
au-dessus deT,
differe par un facteur 2 de celui
au-dessous,
en contra-diction avec
1’experience [14].
Ce d6saccord n’est pas biencompris
dans le cadre de ce modele.L’échelle de variation du
parametre
d’ordre estdonnee par la forme du terme
d’énergie cin6tique.
On d6finit a
partir
de(2)
unelongueur
de coherence :en bon accord avec les determinations bas6es sur des arguments de
scaling [15]
et les estimations obtenuesdans la partie I.
D. Densitd
superfluide,.
- Nous calculons toutd’abord la densite normale Pn = p - pg selon la m6thode donnee par Landau
[12] : quand
le gazd’excitations
(c’ est-à-dire
ici lechamp
de fluctuations duparametre d’ordre)
sed6place
a une vitesse uni- forme v, le moment total dusysteme :
Le moment effectif du
champ
de fluctuation a porter dans1’expression pr6c6dente
est donnequand v -->-
0par :
( "*, , B
est une moyennespatiale
enpresence
dela vitesse v :
obtenu en
remplaqant
dans(15)
p par p - Mv.En
portant (22)
dans(21)
et end6veloppant
dans la limite v 20130 :A
T,
on a P n = p. Ceci determine le terme constant et onpeut
écrire(23)
comme :En utilisant la forme de
(T) (18),
on trouve :qui
a le meme exposantcritique
que les resultatsexp6-
rimentaux
(1). Compte
tenu de l’incertitude sur lapente
de la chaleurspécifique,
introduite dans cemod6le,
I’accord entre les ordres degrandeur
calculéet observe est raisonnable.
Nous avons lie dans ce calcul la loi de
dependance
en
temperature
de la densitesuperfluide
et le coeffi- cient du terme desingularite logarithmique;
c’est-à-dire que la densite
superfluide
est contr6l6e seulementpar le
champ
de fluctuation duparametre
d’ordre.La densite
superfluide pres
deT,
estind6pendante
de la discontinuite finie de
Cp
aT À qui
intervient dans la valeur a1’equilibre
duparametre
d’ordre. Ce r6sul-tat est 6videmment
juste
al’oppos6
de celui de G.P.E. Cas d’un
petit specimen.
- Nous nous sommeslimites
jusqu’ici
au cashomogene.
Nous allons main- tenant etudier le cas d’un film mince ou de I’h6liumcontenu entre deux
parois
solidesparalleles
limit6esle
long
de Ox par x = 0 et x = d. Pour discuter lespropri6t6s
du film en dessous deTo,
il faudrait connaitre la solutiontfo(r)
del’équation
non linearisee :A(- V2)3/4 o (r)
=§ o ()
- b(§ o () 12 o(r)).
.(25)
1. TEMPERATURE DE TRANSITION
2"o.
- Nous dis-cutons d’abord la solution de
1’equation
lin6aris6equi
est valable a la
temperature
de transition vers FetatOn doit r6soudre cette
equation
avec la conditionaux limites
0(r) - 0
pour x =0,
d. Cette condi- tion aux limites a eteposee
initialement par G.P.[1]
et traduit la forte modification des
propri6t6s
de1’He II due a la
presence
d’effets de taille. 11n’y
apas de
justification microscopique
de cettepropriete
que nous utilisons par
simplicité.
Loin deT,,
la formeexacte de la condition n’est pas tres
importante
àcause de la faible valeur de
ç (T).
La solution de(26)
est alors :
,
Cette derniere relation d6finit la
temperature To :
La forme
(27)
est en accordquantitatif
raisonnableavec les resultats
experimentaux
de mesure deTo
discutes dans la
partie
I. Dans les mesures sur dessystemes
poreux, on doit tenir compte d’une distri- bution des valeurs de d et de la forte modification despropri6t6s
despremieres
couches d’hélium dueaux forces de Van der Waals. Ces memes difficultés se retrouvent dans les
experiences
sur des films. Pour cesraisons,
il n’est paspossible
de comparerpr6cis6ment experiences
etcalcul,
enparticulier
de decider entrela valeur
3/2
de1’exposant
dupresent
modele(eq. (27))
et de
1’exposant
2 du modeleoriginal
de G.P.Le resultat
(27)
peut etre mis sous la forme :Ceci veut dire que
lorsque 1’epaisseur
du film devient troppetite
devant lalongueur
de coherencequi
tra-duit la
port6e
minimum des variations duparametre
d’ordre
(impos6es
par lapresence
desparois),
1’etatsuperfluide
devient instable.2. COMPORTEMENT SOUS CRITIQUE. - Pour connaitre le
comportement
du film mince d’h6lium en dessous deTo,
il faut connaitre les solutions de1’equation
nonlin6aris6e.
Néanmoins,
des que T n’est pas troppres
de
To,
la valeurd’6quilibre tfJo(r)
estpratiquement
constante si on
neglige
sa variation auvoisinage
imm6diat
(N
1A)
desparois.
Dans ce cas, le spectre des fluctuations est :a)
Chaleurspécifique.
- On peut la calculer commedans le cas
homogene :
Tous calculs faits
(appendice A),
on a pour la chaleurspecifique :
On voit
qu’il n’y
aplus
de termedivergent
dans1’ expression
de la chaleurspécifique
et queC,,(T)
varie lineairement avec T dans la
region
d’intérêt. On peutcomprendre qualitativement
lecomportement
deC,,(T) :
lasingularite logarithmique
est li6e aux fluc-tuations de
grande longueur
d’onde. Lapresence
desparois limite q [I q 12 = p2 + (nnld)2]
à la valeur7c/d
et entraine la
disparition
de lasingularite.
Pourpouvoir analyser
lecomportement
deC,, (T) pres
deTo,
ilfaudrait tenir
compte
de 1’effet Fulde et Moorman[17], analyse
dans lapremiere partie
de ce travail[2],
c’est-a-dire la modification des solutions de
(25)
avec latemp6-
rature. Le
comportement
nonsingulier
deCs( T)
a 6t6observe dans les
experiences
sur des films d’He II par Brewer[18]
et par Frederische[19].
b)
Densitésuperfluide.
- On utilise la m6thode de D. :68
Tous calculs faits
(voir appendice B),
il vient :P g ( T )
varie lin6airement en(Tx - T).
Le domainede validite de la loi lin6aire peut etre estim6 en compa- rant les termes du
premier
ordre et du deuxieme. 11 augmentequand dlço diminue,
c’est-a-dire pour les films minces. Le fait queI expression
est fonction deT,
et non de
To
peutsurprendre.
CommePs(T)
est d6finia une constante
pres,
il estpossible
de normaliserp,,(TO)
= 0. Enfait, To
n’intervient pas parce que 1’on n’a pas utilise les solutions exactes de1’6quation
non lin6aris6e
(tenant compte
de 1’effet Fulde etMoorman),
mais que l’on asuppose §
constant, cequi
est vrai seulement dans le cas d’un 6chantillon massif. Dans le cas considereici,
on apres
deTo :
,
o
sin7x
o- d
Le modele nous a
permis
n6anmoins depr6voir
dans le cas des films minces et de I’h6lium contenu
dans un tube 6troit les deux effets suivants observes
au
voisinage
deTo :
- attenuation de la
singularite logarithmique;
-
disparition
ducomportement
en(Tx - 7")2/3
dela densite
superfluide,
effets que nous avons decrits
pr6c6demment.
11 restea
expliquer pourquoi,
dans lessystemes
depetite
taille
( To N
2OK),
on observe une variation encoreplus
lente(en ( To - T) 2)
de la densitesuperfluide.
I1 n’est pas
possible
dans lesexperiences
dequatrieme
son de
negliger
lapossibilite
d’effets lies a la distribu- tionstatistique
des pores. Afin d’obtenir unegéométrie
mieux
contr6l6e,
desexperiences
de troisieme son ontete
entreprises
sur des films d’h6lium non satur6s[20].
Nous remercions les Drs C.
Caroli,
F. Talkano etR. S.
Thompson
pour des discussions sur ce travail.APPENDICE
ACalcul de la chaleur
spdcifique
d’un film minceLa formule
(29)
s’6crit :d’ou on deduit la contribution du terme de fluctuations du
potentiel thermodynamique
a la chaleurspeci-
fique (30).
APPENDICE B
Densitd normale de films dlhdlium II
Nous calculons les termes de
l’int6grale (31) qui dependent
de Tpar lal
et interviennent dans ladependance
entemperature
de Pn et pg. Si on poseou en retenant le terme
dependant
de T dans la limiteDe meme :
Finalement,
en utilisant la forme de Pn(31)
et la definition deD’ou finalement le resultat
(32).
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On utilise la relation :[11]
La fluctuation de03B403C8
estcouplée
à celle de03B403C8*.
En
diagonalisant
lesystème d’équations couplées
en
03B403C8
et03B403C8*,
onpourrait
voir que la branche duspectre
sans bande interditecorrespond
àun mode de fluctuations satisfaisant la relation
03B403C8*-n
= -03B403C8n
et que l’autre branche duspectre
satisfait la relation
03B403C8*-n
=03B403C8n.
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aanalysé classiquement
les effets de taille dans le film d’He à
partir
de lamodification de densité
superfluide
due aux forcesde V. d. W. et obtenu une
description
raisonnable des mesures de03C1s(T)
dans les films.[17] FULDE
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