Λ点

λ点：潜熱を伴わない相転移の特異点

λ点（ラムダ点）とは、物質の相転移において、潜熱を伴わずに起こる特殊な転移点のことです。比熱容量を温度に対してプロットしたグラフ上に現れる特徴的な尖点が、ギリシャ文字のλを反転させたような形をしていることから、この名が付けられました。この尖点は、相転移に伴う急激な変化を示しており、物質の性質が大きく変化する転移点であることを示しています。

1922年、フランシス・シモンは塩化アンモニウムにおいてこのような相転移を発見しました。その後、ポール・エーレンフェストによって「λ転移」と命名され、様々な物質でλ転移が確認されるようになりました。

液体ヘリウムのλ転移：超流動への転移

λ転移の最も有名な例は、液体ヘリウムにおける超流動転移です。液体ヘリウムは、標準気圧下で約2.17Kという極低温において、常流動状態（ヘリウムI）から超流動状態（ヘリウムII）へと相転移します。この転移点が、液体ヘリウムのλ点です。

ヘリウムのλ転移は、圧力によっても変化します。圧力の下限は5.048 kPaで、このときの転移温度は約2.1768 Kです。一方、圧力の上限は、bcc固体ヘリウムと液体ヘリウムが共存する状態であり、1.762 K、29.725 atmという条件下で確認されています。

λ点における比熱容量の特異性

λ点付近では、比熱容量が急激に変化します。この変化は、ピークの先端が非常に鋭い尖点として現れます。このため、熱容量の臨界点付近の振る舞いを特徴づける量である臨界指数を正確に測定するには、物質全体が一様な圧力下に保たれる必要があるため、正確な測定には、微小重力環境が必要となります。

1992年に行われたスペースシャトル実験では、λ点からわずか2 nK以内という極めて狭い温度範囲での熱容量が測定され、臨界指数αが−0.0127±0.0003という高精度な値が得られました。この実験結果は、λ転移の理解を深める上で重要な知見となりました。

研究の歴史と今後の展望

λ点の研究は、低温物理学の発展に大きく貢献してきました。液体ヘリウムの超流動現象の解明は、量子力学の理解を深める上で重要な役割を果たし、多くの科学技術の発展にも繋がっています。現在でも、λ転移のメカニズムや、その近傍での物質の性質に関する研究は盛んに行われており、さらなる知見が期待されています。λ点の研究は、基礎科学から応用科学まで、幅広い分野に影響を与える重要な研究テーマの一つです。

関連事項

λ点冷凍機：λ転移を利用した冷凍機。
超流動：液体ヘリウムが示す、粘性のない流れ。

λ点の研究は、低温物理学のみならず、統計力学や物性物理学といった分野にも大きな影響を与え続けています。今後も、新たな発見や技術革新が期待される、重要な研究テーマと言えるでしょう。

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