Эксперимент наконец-то показал, что можно почувствовать, прикоснувшись к квантовой сверхтекучей жидкости. Физики погрузили специальный зонд размером с палец в изотоп гелия, охлаждённый до температуры чуть выше абсолютного нуля, и зафиксировали его физические свойства. Результаты исследования будут опубликованы в журнале Nature Communications и размещены на сайте arXiv.
«С практической точки зрения мы не знаем ответа на вопрос "каково это - прикоснуться к квантовой физике?", — говорит физик Самули Аути из Ланкастерского университета (Великобритания), возглавлявший исследование. — Экспериментальные условия экстремальны, а методики сложны, но теперь я могу сказать, что бы вы почувствовали, если бы смогли засунуть руку в эту квантовую систему. За всю 100-летнюю историю квантовой физики никто так и не смог ответить на этот вопрос. Теперь мы показываем, что, по крайней мере, касательно сверхтекучего 3He на этот вопрос ответить можно».
Сверхтекучие вещества — это состояния материи, которые ведут себя как жидкость с нулевой вязкостью или трением. Существуют два изотопа гелия, способные образовывать сверхтекучую жидкость. При охлаждении до температуры чуть выше абсолютного нуля (-273,15°C) движения ядер изотопа гелия-4 (оно представляет собой бозон, поскольку полный спин ядра – целое число, а именно – ноль) замедляются настолько, что сливаются в высокоплотное скопление атомов, которые ведут себя как один супер-атом.
Гелий-3 ведёт себя немного по-другому. Его ядра представляют собой фермионы — класс частиц, которые вращаются иначе, чем бозоны. При охлаждении ниже определённой температуры фермионы связываются между собой в так называемые куперовские пары, каждая из которых состоит из двух фермионов, образующих вместе составной бозон. Эти куперовские пары ведут себя точно так же, как бозоны, и могут образовывать сверхтекучую жидкость.
Аути и его команда уже некоторое время экспериментировали с фермионной сверхтекучестью гелия-3 и обнаружили, что, хотя куперовские пары весьма хрупки, исследователи могут поместить внутрь провод, не разрушая пары и даже не нарушая течение сверхтекучей жидкости. Поэтому команда решила сконструировать зонд для изучения свойств жидкости вблизи.
Жидкость повела себя очень странно. Поверхность жидкости, похоже, образует независимый двумерный слой, отводящий тепло от стержня зонда. Основная масса сверхтекучей жидкости, находящаяся под ним, действует почти как вакуум: она совершенно пассивна и никак не ощущается, обнаружили исследователи.
Единственная часть жидкости, которая взаимодействует с зондом, — это двумерный поверхностный слой. Термомеханические свойства сверхтекучей жидкости полностью определяются этим двумерным слоем.
«Эта жидкость ощущалась бы как двумерная, если бы в неё можно было засунуть палец. Основная масса сверхтекучей жидкости кажется пустой, в то время как тепло течёт в двумерной подсистеме по краям основной массы — другими словами, вдоль вашего пальца, — говорит Аути. — Это также пересматривает наше понимание сверхтекучего [гелия-3]».
Последствия, по мнению исследователей, очень глубоки. Сверхтекучий гелий-3 — самый чистый из известных материалов, и поэтому он представляет большой научный интерес для изучения коллективных состояний материи, таких как сверхтекучие жидкости. Понимание того, как ведёт себя его двумерный слой, может пролить свет на поведение квазичастиц, топологические дефекты и квантовые энергетические состояния.
«Эти направления исследований, — пишут учёные, — способны изменить наше понимание этой универсальной макроскопической квантовой системы».
