Наномеханический резонатор ухватил три режима затухания в сверхтекучем гелии

Физики из Франции и Великобритании исследовали затухание колебаний в сверхтекучем гелии-4 с помощью наномеханического резонатора. В результате ученые обнаружили три режима затухания, которые доминируют в разных диапазонах температур, — гидродинамический, баллистический и акустический режим. Ухватить все три механизма с помощью одного инструмента до сих пор не удавалось. В будущем с помощью подобного прибора ученые планируют разглядеть «внутреннюю структуру» жидкого гелия, недоступную для обычных измерений. Статья опубликована в Physical Review B, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Чем ниже температура жидкости, тем больше ее частиц переходят в состояния с одинаковыми энергиями, а потому их квантовые свойства проявляются все сильнее и сильнее. При достаточно низкой температуре такие эффекты начинают доминировать и «классическая» жидкость превращается в квантовую (либо замерзает и превращается в обычное твердое тело). Самые известные примеры квантовых жидкостей — это жидкий гелий-4 и гелий-3; в первом квантовые эффекты проявляются при температуре ниже 2,17 кельвина, во втором — при температуре ниже 2,6 милликельвина.

К сожалению, обе квантовые жидкости до сих пор изучены недостаточно хорошо. Конечно, существуют теории, объясняющие свойства этих жидкостей с помощью квазичастиц — фононов и ротонов; более того, за эти теории вручены Нобелевские премии 1962 и 2003 года. Квазичастицы — это низкотемпературные возбуждения над спокойной средой, которые обладают теми же характеристиками, что и обычные частицы. Теории с квазичастицами хорошо объясняют свойства квантовых жидкостей на масштабах, сильно превосходящих длину волны де Бройля квазичастиц. Однако на меньших масштабах такие теории по понятным причинам «ломаются», и физикам приходится придумывать что-то новое.

Чтобы экспериментально исследовать свойства квантовых жидкостей на таких мелких масштабах, физики предлагают использовать наноэлектромеханические системы (NEMS) — миниатюрные устройства размером в несколько сотен нанометров, которые возбуждают колебания жидкости и измеряют ее отклик. Если характерный размер такого резонатора совпадет с длиной волны де Бройля квазичастиц, то он будет взаимодействовать с квазичастицами по отдельности, а если уменьшить его еще сильнее, то он сможет разглядеть «внутреннюю структуру» квантовой жидкости. Однако первые эксперименты с NEMS и квантовыми жидкостями были проведены всего несколько лет назад. Например, в 2017 году группа ученых под руководством Энтони Гено (Antony Guénault) впервые использовала нанорезонаторы, чтобы измерить гидродинамические свойства жидкого гелия-4 при температуре выше одного кельвина.

В новой работе исследователи продолжили развивать этот подход, применяя его к сильно охлажденному гелию-4, в котором квантовые свойства проявляются гораздо сильнее. В качестве резонаторов ученые использовали маленькие алюминиевые палочки, прикрепленные с помощью фотолитографии к кремниевой пластинке с покрытием из нитрида кремния. Толщина палочек составляла 130 нанометров, ширина — 300 нанометров, а длина — 30 или 150 микрометров, что отвечало частоте колебаний 11,6 или 1,6 мегагерц соответственно. Чтобы возбудить колебания палочек, физики накладывали на систему постоянное магнитное поле и пропускали через палочки переменный ток. Чем больше была напряженность магнитного поля, тем больше была сила Ампера и тем сильнее изгибались палочки. Наконец, исследователи залили резонатор жидким гелием-4 и охладили систему до температуры около семи милликельвинов.

Сначала ученые сравнили, как колебания резонаторов затухают в вакууме и в жидком гелии при температуре семь милликельвинов. Оказалось, что в гелии добротность обоих резонаторов падает примерно в десять раз, даже когда напряженность магнитного поля не превышала 0,1 тесла. По словам физиков, это поведение довольно контринтуитивно, поскольку при такой низкой напряженности поля амплитуда колебаний очень мала, а взаимодействием с нормальной компонентой сверхтекучей жидкости можно пренебречь.

Затем физики измерили, как добротность колебаний зависит от температуры жидкости, и подобрали теоретическую модель, которая описывает полученные результаты. В результате ученые выделили три основных механизма, доминирующих при разных температурах. При температуре от одного до трех кельвинов затухание в основном обусловлено гидродинамическими потерями, то есть вязкостью нормальной компоненты. В промежуточном диапазоне между 0,4 и 0,7 кельвина доминирует баллистическое рассеяние квазичастиц — ротонов и фононов. Наконец, при еще более низких температурах резонатор теряет энергию за счет излучения акустических волн (первого звука), которое хорошо описывается в дипольном приближении. Грубо говоря, в этом режиме резонатор рождает новые квазичастицы вместо того, чтобы рассеивать существующие.

По словам ученых, все эти режимы уже наблюдались на практике в разных экспериментах, однако почувствовать все три с помощью одного-единственного прибора до сих пор не удавалось. Это обусловлено большой разницей в скорости затухания колебаний: в гидродинамическом режиме добротность колебаний находилась на уровне Q ~ 10, тогда как в акустическом режиме Q ~ 10⁷. Более того, снятая с помощью нанорезонатора зависимость идеально согласуется с теоретическими предсказаниями во всех трех режимах, не требуя дополнительных «подгоночных» параметров.

В будущем физики собираются поставить аналогичный эксперимент в жидком гелии-3, длина когерентности которого составляет несколько сотен нанометров, то есть совпадает с размерами резонатора. Авторы надеются, что это поможет разглядеть «внутреннюю структуру» сверхтекучей жидкости.

В мае прошлого года мы писали о другом способе исследования сверхтекучей жидкости: тогда японские физики использовали магнитно-резонансную томографию, чтобы разглядеть хиральные доменные стенки в сверхтекучем гелии-3. А в мае 2015 года ученые из Канады, США и Германии впервые экспериментально изучили движение сверхтекучего гелия в квазиодномерных системах — тонких капиллярах толщиной всего несколько нанометров. Оказалось, что такие тонкие капилляры почти не замечают сверхтекучесть гелия, затормаживая его наравне с обычной вязкой жидкость.

Про историю исследований сверхтекучести — в частности, жидкого гелия-4 — можно подробно прочитать в материале «Чашка жидкого гелия». А про различные квазичастицы, которые появляются в сильно охлажденных жидкостях и твердых телах, рассказывает материал «Квантовая азбука: „Зоопарк квазичастиц“».

Дмитрий Трунин