Физики впервые разглядели хиральные домены в сверхтекучем гелии-3

Японские физики использовали магнитно-резонансную спектроскопию для исследования сверхтекучего гелия-3 и впервые разглядели в нем образование хиральных доменных стенок, которое ранее косвенно подтверждалось в других экспериментах. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.

В нормальных условиях гелий-3 находится в газообразном состоянии, однако при понижении температуры начинает проявлять необычные свойства. Так, при охлаждении до 3,2 кельвина гелий-3 превращается в жидкость, а при температуре менее 2,6 милликельвинов и давлении более 34 атмосфер становится сверхтекучим — другими словами, трение между соседними слоями жидкости исчезает, и она свободно протекает даже через самые узкие капилляры. Это объясняется тем, что гелий-3 переходит в состояние бозе-конденсата, в котором все частицы находятся в одном и том же квантовом состоянии с наименьшей возможной энергией, а движение конденсата можно описывать общей волновой функцией, фаза и амплитуда которой меняется от точки к точке. При этом отдельные молекулы гелия-3, спин которых равен ½, объединяются в пары, аналогичные куперовским парам электронов, и образуют бозоны — частицы с целым спином. Подробнее про конденсат Бозе-Эйнштейна можно прочитать в нашем тексте «Квантовые газы при низких температурах», а про куперовские пары — в материале «Ниже критической температуры».

Этот факт существенно отличает жидкий гелий-3 от других сверхтекучих жидкостей, частицы которых изначально являются бозонами (например, гелий-4). Существующая теория предполагает, что при низких температурах гелий-3 можно рассматривать как хиральную сверхтекучую жидкость (chiral superfluid). Грубо говоря, структура такой жидкости напоминает магнитные домены в ферромагнетиках — в пределах одного хирального домена угловые моменты частиц направлены в одну и ту же сторону, а сами домены разделены стенками, на которых направление углового момента меняется на противоположное. При этом размеры хиральных доменов и стенок могут достигать десятых долей миллиметра. Слово «хиральный» в данном случае появляется, чтобы подчеркнуть отсутствие в такой структуре симметрии относительно зеркального отражения. Впоследствии подобное упорядочивание было подтверждено в многочисленных косвенных экспериментах — например, при измерении крутильных колебаний или исследовании влияния внутренней силы Магнуса (intrinsic Magnus force) на движение электронов в гелии-3. Тем не менее, напрямую доменные стенки ученым разглядеть не удавалось.

Группа ученых под руководством Ютака Сасаки (Yutaka Sasaki) применила разработанную ими технику магнитно-резонансной спектроскопии (МРТ) для исследования структуры сверхтекучего гелия-3 и впервые смогла увидеть в нем образование доменных стенок при температуре ниже критической. Работа этой техники полагается на явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР) — резонансного поглощения энергии внешнего магнитного поля ядрами с ненулевым спином. Грубо говоря, при помещении такого ядра в переменное магнитное поле его магнитный момент начинает колебаться, «заимствуя» энергию из внешнего поля; в случае, когда частота изменений поля совпадает с резонансной частотой переходов, колебания раскачиваются особенно сильно. Более строго про ЯМР рассказывается, например, в этой статье. Важно, что в случае гелия-3 интенсивность поглощенного сигнала зависит от ориентации угловых моментов частиц, и это позволяет различить области с противоположно направленными моментами, а также доменные стенки. В частности, в эксперименте со сверхтекучим гелием-3 ученым удалось добиться пространственного разрешения картинки порядка десяти микрометров.

В этом эксперименте ученые помещали жидкий гелий-3 в ячейку толщиной около 0,1 миллиметра и шириной порядка нескольких миллиметров, которая находилась внутри магнитной катушки. Охлаждая образец до двух милликельвинов, физики наблюдали в нем образование изогнутых доменных стенок, отстоящих друг от друга примерно на один-два миллиметра. Эта структура оставалась стабильной вплоть до критической температуры около 2,4 милликельвинов, при которой гелий-3 перестает быть сверхтекучим. Как и ожидалось, выше этой температуры стенки пропадали, а при повторном охлаждении появлялись снова, но уже в другом месте. По словам ученых, это указывает на то, что образование доменов в сверхтекучем гелии происходит спонтанно и не связано с внутренними примесями или внешними граничными условиями.

Ученые отмечают, что разработанную ими технику можно применять не только для исследования доменов, но и для визуализации других топологических объектов в топологических сверхтекучих жидкостях, таких как спин-массовые вихри (spin-mass vortex), вихревые листы (vortex sheet) и полуквантовые вихри (half-quantum vortex).

В июне 2017 года исследователи из Италии, Канады, Финляндии и Великобритании впервые создала систему, которая ведет себя как сверхтекучая жидкость при комнатной температуре. В ее основе лежат экситонные поляритоны в флуоресцентном красителе, которые переходят в состояние бозе-конденсата подобно жидкому гелию. А в марте того же года двум другим группам ученых удалось получить сверхтекучее твердое тело, одновременно обладающее свойствами кристалла и переходящее в сверхтекучее состояние.

В июне 2015 года японский физик Хироки Сайто теоретически показал, что в сверхтекучих средах можно плавать, как в обычной воде, хотя трение между слоями жидкости отсутствует. Правда, в этом случае движение происходит без образования волн и турбулентностей.

Дмитрий Трунин