Погружение в неведомое: как ощущается квантовая жидкость?

Уникальный эксперимент позволил ученым раскрыть тайны квантового сверхтекучего вещества. Группа физиков под руководством Самули Аутти из Ланкастерского университета в Великобритании погрузила специальный датчик размером с палец в изотоп гелия, охлажденный почти до абсолютного нуля, и зарегистрировала его физические свойства.

Это первый случай, когда ученым удалось получить представление о том, как может ощущаться квантовая Вселенная на ощупь, и при этом никто не получил серьезных обморожений и не испортил эксперимент.

"На практике мы не знаем ответа на вопрос 'каково это – коснуться квантовой физики?'," говорит Аутти. "Условия эксперимента крайне сложны, но теперь я могу рассказать вам, как это ощущается, если бы вы могли погрузить руку в эту квантовую систему. Никто не мог ответить на этот вопрос в течение 100 лет истории квантовой физики. Мы показываем, что, по крайней мере в сверхтекучем гелии-3, на этот вопрос можно ответить."

Сверхтекучие вещества – это состояние материи, которое ведет себя как жидкость без вязкости или трения. Существует два изотопа гелия, способных создать сверхтекучесть. При охлаждении до температур чуть выше абсолютного нуля (−273.15 градусов Цельсия), бозоны изотопа гелия-4 замедляются настолько, что перекрываются, образуя высокоплотное скопление атомов, которое ведет себя как один "супер-атом".

Гелий-3 немного отличается. Его ядра являются фермионами, классом частиц, вращающихся иначе, чем бозоны. При охлаждении ниже определенной температуры фермионы связываются в так называемые пары Купера, каждая из которых состоит из двух фермионов, вместе формирующих составной бозон. Эти пары Купера ведут себя точно так же, как бозоны, и, следовательно, могут формировать сверхтекучесть.

Аутти и его команда уже некоторое время экспериментируют со сверхтекучим фермионным гелием-3 и обнаружили, что, хотя пары Купера довольно хрупки, исследователи могут вставлять в него проволоку, не разрушая пары и не нарушая поток сверхтекучести. Поэтому команда решила разработать датчик для изучения свойств жидкости в непосредственной близости.

И результаты оказались довольно необычными. Поверхность жидкости, по-видимому, формирует независимый двумерный слой, который отводит тепло от стержня. Основная масса сверхтекучего вещества под ним ведет себя почти как вакуум. Исследователи обнаружили, что она совершенно пассивна и не ощущается вообще.

Единственная часть жидкости, которая взаимодействовала с датчиком, была этот двумерный поверхностный слой. Доступ к основной массе возможен только если в нее внести огромное количество энергии. Термомеханические свойства сверхтекучего вещества полностью определяются этим двумерным слоем.

"Эта жидкость ощущалась бы как двумерная, если бы вы могли погрузить в нее палец. Основная масса сверхтекучего вещества кажется пустой, в то время как тепло течет в двумерной подсистеме вдоль краев основной массы – другими словами, вдоль вашего пальца," говорит Аутти.

Открытия ученых могут кардинально изменить наше понимание сверхтекучего гелия-3 и имеют глубокие последствия. Сверхтекучий гелий-3 является самым чистым из известных материалов и, как таковой, представляет огромный научный интерес для изучения коллективных состояний материи, таких как сверхтекучие вещества. Понимание поведения его двумерного слоя может пролить свет на поведение квазичастиц, топологические дефекты и квантовые энергетические состояния.

"Эти направления исследований," пишут ученые, "имеют потенциал радикально трансформировать наше понимание такой универсальной макроскопической квантовой системы."