Ученые прикоснулись к квантовой сверхтекучей жидкости: каково это было (видео)

Фото: Википедия

Каково это прикоснуться к квантовой физике? Едва ли кто-то может ответить на этот вопрос, ведь эти условия экстремальны, а методы чрезвычайно сложны. Но теперь ученые отважились на дикий эксперимент, чтобы прикоснуться к квантовой сверхтекучей жидкости, и им это удалось, пишет Science Alert.

По словам физика Самули Аутти из Ланкастерского университета в Великобритании, который руководил исследованием, они с коллегами, по сути, стали первыми, кому удалось получить представление о том, какой может быть квантовая Вселенная.

К счастью, несмотря на всю дикость эксперимента, никому не потребовалось подвергаться ужасному обморожению, чтобы ответить на этот вопрос. Отметим, что за всю 100-летнюю историю квантовой физики никому не удавалось зайти так далеко. Однако в новом исследовании физики окунули специальный зонд размером с палец человека в изотоп гелия, охлажденный чуть выше абсолютного нуля. Далее ученые зафиксировали его физические свойства — фактическим им удалось доказать, что к квантовой физике действительно можно прикоснуться, по крайней мере в разрезе сверхтекучего 3He.

Отметим, что сверхтекучие вещества — вещества, которые ведут себя как жидкость с нулевой вязкостью и трением. Известно о существовании двух изотопов гелия, которые способны создавать сверхтекучесть. При охлаждении чуть выше абсолютного нуля (-273,15 градусов по Цельсию) бозоны изотопа гелия-4 замедляются достаточно, чтобы превратиться в кластер атомов высокой плотности, ведущий себя, как один суператом.

По словам Аутти, гелий-3 немного другой: его ядра представляют собой фермионы — класс частиц, которые вращаются иначе, чем бозоны. Известно, что при охлаждении ниже определенной температуры фермионы объединяются в куперовские пары, каждая из которых состоит из пары фермионов, образующих вместе составной бозон. При этом эти куперовские пары, про сути, ведут себя точно также, как бозоны, а потому также способны образовать сверхтекучую жидкость.

Команда Аутти уже некоторое время экспериментирует с фермионной сверхтекучей жидкостью гелием-3. В результате им удалось обнаружить, что несмотря на хрупкость куперовских пар, ученые вполне могут вставить внутрь проволоку, не разрывая при этом пары и не нарушая поток сверхтекучей жидкости. Команда решила пойти еще дальше и разработала специальный зонд, необходимый для дальнейшего изучения свойств жидкости.

Ученые отмечают, что единственной частью жидкости, которая взаимодействовала с зондом, был двумерный поверхностный слой. Массив становится доступным только в том случае, если в него будет передан огромный прилив энергии, тогда как термомеханические свойства сверхтекучей жидкости полностью определяются этим двумерным слоем.

По словам команды, эта жидкость казалась бы двумерной, если бы "мы могли сунуть в нее палец". Аутти также отмечает, что основная часть сверхтекучей жидкости также кажется пустой, в то время как тепло течет в двумерной подсистеме вдоль краев объема. Простыми словами, если бы она текла вдоль вашего пальца.

Авторы исследования считают, что последствия их открытия могут быть весьма глубоки. Во-первых, сверхтекучий гелий-3 является самым чистым из всех известных материалов, а потому представляет большой научный интерес. Во-вторых, понимание того, как ведет себя его двумерный слой, может пролить свет на поведение квазичастиц, топологические дефекты и квантовые энергетические состояния. В результате Аутти с коллегами считают, что их эксперимент может в целом изменить понимание универсальной макроскопической квантовой системы.

Ирина Скиба / Skibair
Журналист AOinform