Експеримент показав, що станеться, якщо доторкнутися до квантової надрідини

Експеримент нарешті показав, як це – доторкнутися до квантової надплинної рідини.

Фізики занурили спеціальний зонд розміром з палець в ізотоп гелію, охолоджений до температури трохи вище абсолютного нуля, і записали його фізичні властивості.

Вони кажуть, що це перший раз, коли ми отримали уявлення про те, яким може бути квантовий всесвіт. І нікому не довелося отримати жахливі обмороження чи зіпсувати експеримент, щоб дізнатися про це по-справжньому.

“З практичної точки зору, ми не знаємо відповіді на питання “як це – доторкнутися до квантової фізики?”, – каже фізик Самулі Аутті з Ланкастерського університету у Великій Британії, який очолював дослідження.

“Умови експерименту екстремальні, а методика складна, але тепер я можу сказати вам, що ви відчуєте, якщо покладете руку в цю квантову систему. За всю 100-річну історію квантової фізики ніхто не зміг відповісти на це питання. Зараз ми показуємо, що принаймні у надплинному 3He на це питання можна відповісти”.

Надплинна рідина – це стан речовини, яка поводиться як рідина з нульовою в’язкістю або тертям. Існує два ізотопи гелію, які можуть створювати надплинну рідину. При охолодженні до температури трохи вище абсолютного нуля (-273,15 градусів за Цельсієм або -459,67 градусів за Фаренгейтом) бозони ізотопу гелію-4 сповільнюються настільки, що накладаються один на одного в кластер атомів високої щільності, які поводяться як один суператом.

Гелій-3 поводиться трохи інакше. Його ядра – це ферміони, клас частинок, які обертаються інакше, ніж бозони. При охолодженні нижче певної температури ферміони зв’язуються у так звані куперівські пари, кожна з яких складається з двох ферміонів, що разом утворюють складений бозон. Ці куперівські пари поводяться так само, як бозони, і тому можуть утворювати надплинну рідину.

Аутті та його команда деякий час експериментували з ферміонною надплинною рідиною гелію-3 і виявили, що, хоча куперівські пари досить крихкі, дослідники можуть вставити всередину дріт, не розбиваючи пари і навіть не порушуючи течію надплинної рідини. Тож команда вирішила сконструювати зонд, щоб вивчити властивості рідини зблизька.

І, що ж, він виявився доволі дивним. Поверхня рідини, здається, утворює незалежний двовимірний шар, який відводить тепло від стрижня. Дослідники виявили, що основна частина надрідини під ним діє майже як вакуум; вона повністю пасивна і взагалі нічого не відчуває.

Єдиною частиною рідини, яка взаємодіяла з зондом, був двовимірний поверхневий шар. Основна маса стає доступною лише тоді, коли в неї потрапляє величезний потік енергії. Термомеханічні властивості надплинної рідини повністю визначаються цим двовимірним шаром.

“Ця рідина здавалася б двовимірною, якби ви могли встромити в неї палець. Основна частина надплинної рідини здається порожньою, в той час як тепло тече у двовимірній підсистемі по краях цієї частини – іншими словами, вздовж вашого пальця”, – говорить Аутті.

“Це також переосмислює наше розуміння надплинної рідини [Гелію-3]. Для науковця це може мати навіть більший вплив, ніж практичне застосування квантової фізики”.

Дослідники кажуть, що наслідки глибокі. Надплинний гелій-3 є найчистішим з відомих матеріалів, і як такий представляє великий науковий інтерес для вивчення колективних станів матерії, таких як надплинний газ. Розуміння того, як поводиться його двовимірний шар, може пролити світло на поведінку квазічастинок, топологічні дефекти та квантові енергетичні стани.

“Ці напрямки досліджень, – пишуть дослідники, – мають потенціал трансформувати наше розуміння цієї універсальної макроскопічної квантової системи”.

Дослідження має з’явитися  у Nature Communications, а також доступне на arXiv.