Дикий эксперимент показывает, что произойдет, если вы прикоснетесь к квантовой сверхтекучей жидкости
Эксперимент наконец показал, каково это — прикоснуться к квантовой сверхтекучей жидкости.
Физики окунули специальный зонд размером с палец в изотоп гелия, охлажденный до температуры чуть выше абсолютного нуля, и зафиксировали физические свойства в ней.
По их словам, это первый раз, когда мы получили представление о том, на что может быть похожа квантовая Вселенная. И никому не нужно было подвергаться ужасному обморожению или разрушать эксперимент, чтобы выяснить это по-настоящему.
«В практическом плане мы не знаем ответа на вопрос: «Каково это — прикоснуться к квантовому физика?», — говорит физик Самули Аутти из Ланкастерского университета в Великобритании, который руководил исследованием.
«Эти экспериментальные условия экстремальны, а методы сложны, но теперь я могу сказать вам, каково было бы, если бы вы могли бы засунуть руку в эту квантовую систему. Никто не смог ответить на этот вопрос за 100-летнюю историю квантовой физики. Теперь мы показываем, что, по крайней мере, в сверхтекучей 3Он, этот вопрос может можно ответить.»
Сверхтекучие жидкости — это состояние вещества, которое ведет себя как жидкость с нулевой вязкостью и трением. Есть два изотопа гелия, которые могут создавать сверхтекучесть. При охлаждении чуть выше абсолютного нуля (-273,15 градусов по Цельсию или -459,67 градусов по Фаренгейту) бозоны изотопа гелия-4 замедляются достаточно, чтобы перекрыться в кластер атомов высокой плотности, который ведет себя как один суператом.
Гелий-3 немного другой. Его ядра — фермионы, класс частиц, которые вращаются иначе, чем бозоны. При охлаждении ниже определенной температуры фермионы соединяются в так называемые куперовские пары, каждая из которых состоит из двух фермионов, которые вместе образуют составной бозон. Эти куперовские пары ведут себя точно так же, как бозоны, и, таким образом, могут образовывать сверхтекучую жидкость.
Аутти и его команда в течение некоторого времени экспериментировали с фермионной сверхтекучей жидкостью гелием-3 и обнаружили, что, хотя куперовские пары довольно хрупкие, Исследователи могут вставить провод внутрь, не разрывая пары и даже не нарушая поток сверхтекучей жидкости. Поэтому команда решила разработать зонд для детального изучения свойств жидкости.
И это действительно странно. Кажется, что поверхность жидкости образует независимый двумерный слой, отводящий тепло от стержня. Основная масса сверхтекучей жидкости под ним действует почти как вакуум; Исследователи обнаружили, что он полностью пассивен и вообще ни на что не похож.
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. Термомеханические свойства сверхтекучей жидкости полностью определяются этим двумерным слоем.
«Эта жидкость казалась бы двухмерной, если бы вы могли сунуть в нее палец. Основная часть сверхтекучей жидкости кажется пустой, а тепло течет в двумерной подсистеме по краям объема — другими словами, вдоль вашего пальца», — говорит Аутти.
«Это также переопределяет наше понимание сверхтекучего [гелия-3]. Для ученого , это может оказаться даже более влиятельным, чем участие в квантовой физике».
Последствия, по словам исследователей, весьма глубоки. Сверхтекучий гелий-3 является самым чистым из известных материалов и поэтому представляет большой научный интерес для изучения коллективных состояний материи, таких как сверхтекучие жидкости. Понимание того, как ведет себя его двумерный слой, могло бы пролить свет на поведение квазичастиц, топологические дефекты и состояния квантовой энергии.
«Эти направления исследований, — пишут исследователи, — могут изменить наше понимание этого явления». универсальная макроскопическая квантовая система».
Результат исследования должен быть опубликован в журнале Nature Communications и доступен на arXiv.
