2 ноя 2023 4 592

Странный эксперимент показывает, что произойдет, если вы прикоснетесь к квантовой сверхтекучей жидкости

Физики окунули специальный зонд размером с палец в изотоп гелия, охлажденный чуть выше абсолютного нуля, и зафиксировали его физические свойства.

Группа физиков погрузила специальный зонд, размером с палец, в охлажденный почти до абсолютного нуля изотоп гелия и изучила его физические свойства.

По их словам, мы впервые можем наглядно убедиться, какой облик принимает квантовая Вселенная. И для этого не нужно подвергаться страшной обморозке или проводить рискованный эксперимент.

С практической точки зрения мы до сих пор не знаем, каково это — прикоснуться к квантовой физике. Условия эксперимента достаточно экстремальные, методы сложны, но теперь я могу рассказать вам, какое ощущение возникает, если вы коснетесь этой квантовой системы. В течение столетия квантовой физики никто не смог ответить на этот вопрос. А теперь мы показываем, что, по меньшей мере, в сверхтекучем гелии 3 можно получить ответ

— физик Самули Аутти из Ланкастерского университета в Великобритании, руководитель исследования.

Сверхтекучие вещества — состояния вещества, которые проявляют себя как жидкости с нулевой вязкостью и трением. Изотопы гелия играют важную роль в создании сверхтекучести. При достаточном охлаждении ниже абсолютного нуля (-273,15 градусов по Цельсию или -459,67 градусов по Фаренгейту) бозоны изотопа гелия 4 замедляются достаточно, чтобы образовать кластер атомов высокой плотности, ведущий себя как один суператом.

Гелий 3 имеет немного другую структуру. Его ядра являются фермионами, классом частиц, которые вращаются иначе, чем бозоны. При снижении температуры ниже определенного уровня, фермионы образуют так называемые куперовские пары, состоящие из двух фермионов, которые вместе образуют композитный бозон. Эти куперовские пары ведут себя подобно бозонам и образуют сверхтекучую жидкость.

Аутти и его команда уже некоторое время исследовали фермионную сверхтекучую жидкость гелия 3 и обнаружили, что хотя куперовские пары достаточно хрупкие, исследователи могут вставить проволоку внутрь без разрыва пар и даже без нарушения потока сверхтекучей жидкости. Именно поэтому команда решила создать зонд для подробного изучения свойств жидкости.

И это действительно странно. Поверхность жидкости кажется независимым двумерным слоем, отводящим тепло от зонда. Основная масса сверхтекучей жидкости под поверхностью ведет себя почти как вакуум. Исследователи обнаружили, что она абсолютно пассивна и непохожа ни на что другое.

Единственная часть жидкости, взаимодействующая с зондом, это двумерный поверхностный слой. Доступ к массе становится возможным только при передаче колоссального количества энергии. Термомеханические свойства сверхтекучей жидкости полностью определяются этим двумерным слоем.

Если бы вы могли воткнуть в эту жидкость палец, она показалась бы вам двумерной. Основная часть сверхтекучей жидкости кажется пустой, в то время как тепло течет в двумерной подсистеме вдоль краев объема, т. е. вдоль вашего пальца. Это также переопределяет наше понимание сверхтекучего гелия 3. Для ученого это может быть даже более значимым, чем вовлечение в квантовую физику

— Самули Аутти.

По мнению исследователей, последствия этого открытия действительно глубоки. Сверхтекучий гелий 3 является одним из самых чистых материалов, известных человечеству, и поэтому представляет большой научный интерес для изучения коллективных состояний вещества, включая сверхтекучие жидкости. Понимание того, как ведет себя двумерный слой, может дать новые сведения о поведении квазичастиц, топологических дефектах и квантовых энергетических состояниях.