Тонкие капилляры оказались преградой даже для сверхтекучих жидкостей

Коллектив ученых из Канады, США и Германии впервые экспериментально изучил движение сверхтекучего гелия в квази-одномерных системах. Речь идет о каналах настолько малой толщины (несколько нанометров), что в них подавляются почти все двух- и трехмерные эффекты (например, вихри), и гелий может двигаться только в одном направлении. Изучение поведение гелия в таких системах позволит ответить на некоторые вопросы о механизмах образования дефектов в квантовых системах при температурах, близких к абсолютному нулю. Работа опубликована в Science Advances.

При температурах ниже некоторого критического значения изотоп гелия ⁴He переходит в сверхтекучее состояние, то есть в нем полностью пропадает вязкость. Такая сверхтекучая жидкость способна, например, «выползать» из емкости вопреки гравитации.

Согласно наиболее общепринятой модели, переход от обычного состояния к сверхтекучему происходит не скачком, а через стадию «двух жидкостей». Одна из них — это «нормальный» гелий, обладающий ненулевой вязкостью, а другая — сверхтекучий гелий. Чем ниже температура системы, тем больше доля сверхтекучего гелия в смеси.

Авторы измеряли скорость течения гелия в каналах толщиной от двадцати до трех нанометров в зависимости от температуры и давления. Начало перехода к сверхтекучему состоянию наблюдалось при температуре около двух кельвинов, в полном соответствии с предыдущими данными. Однако при переходе от более толстых каналов к более тонким поведение гелия менялось: скорость течения уменьшалась.

Ученые объясняют эффект следующими соображениями: даже в сверхтекучем гелии существуют механизмы, из-за которых система может терять энергию и в итоге замедляться. Самым распространенным из этих механизмов является образование вихрей. На основе них, например, в недавней работе авторы измерили «запрещенное» для сверхтекучих жидкостей число Рейнольдса.

Вихрь — это двухмерное явление, следовательно, существует определенный масштаб, на котором возможно их образование. Идея новой работы была в том, чтобы уменьшить толщину канала до размеров, меньших характерного размера вихрей. В такой системе должно было наблюдаться «новое» поведение сверхтекучего гелия.

В результате ученые действительно наблюдали то, что ожидали: чем тоньше брали канал, тем медленнее в нем протекал сверхтекучий гелий, а также снижалось и значение критической скорости, при которой состояние сверхтекучести нарушалось. Кроме того, в тонких каналах в отличии от толстых скорость течения гелия переставала зависеть от давления в системе.

Описанные явления были ранее предсказаны в рамках теории Томонага-Люттингера. Она описывает движение одномерной квантовой жидкости. Одномерность означает, что частицы, составляющие такую жидкость, могут двигаться через канал лишь по одиночке, что должно кардинально изменить свойства такой системы. Эта теория важна не только для сверхтекучего гелия, но и для электронных устройств: она описывает, например, как будет вести себя проводник, в котором электроны могут двигаться лишь друг за другом, по одиночке.

На данный момент предпринималось много попыток экспериментально приблизиться к квази-одномерным системам. Например, изучалось движение сверхтекучей жидкости в пористых системах с малым диаметром пор. Но до сих пор технические возможности не позволяли проводить измерения в каналах, толщина которых была бы сопоставима с размером атома. В новой работе авторы максимально приблизились к таким системам, хотя «полноценные» одномерные жидкости все еще не получены.