Critical superflows and thermodynamic instabilities in superfluids
Notice bibliographique
Résumé
In this work, we study the linear stability of superfluid phases of matter irrespective of the nature of microscopic degrees of freedom and the strength of interactions between them. Famously, assuming invariance under Galilean boosts and a phonon-roton single-particle dispersion relation, Landau predicted superfluid helium 4 would become unstable for large enough superfluid velocities. Here, we demonstrate that such instabilities generically follow from a change of sign of one of the eigenvalues of the matrix of second derivatives of the free energy. Our only assumption is the existence of static thermodynamic equilibrium, irrespective of any invariance under boosts or microscopic statistics. Turning on dissipation, we show that a linear dynamical instability also develops, leading to exponential growth in time of perturbations around equilibrium. Specializing to Galilean superfluids and assuming the existence of bosonic quasiparticles, our criterion reproduces Landau's critical velocity for Bose-Einstein condensates. Our criterion also reduces to the well-known maximal supercurrent in weakly coupled superconductors described either by Landau-Ginzburg or Bardeen-Cooper-Schrieffer theory. Further, it correctly reproduces the onset of the instability in relativistic, strongly coupled superfluids without quasiparticles at zero as well as finite temperature, which we construct using gauge/gravity duality. As a less trivial application of our criterion, we show that in dirty superfluids the instability manifests itself first in the thermal diffusion mode instead of the superfluid sound mode. Our work provides a simple, comprehensive, and unified description of the large superflow instability of superfluids and superconductors at any temperature independent of the microscopic details of the system and the strength of interactions.
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Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,002 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,002 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,000 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,001 |
Scores machine (provisoires)
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score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».