В сверхтекучем газе получили долгоживущий сверхзвуковой ток

R. Dubessy / University of Paris 13; CNRS Paris

Физики экспериментально получили кольцо из вещества в сверхтекучем состоянии, которое вращается более минуты со скоростью, превышающей звуковую до 18 раз. Данная конфигурация должна помочь реализовать гигантский квантовый вихрь в подобной системе, пишут авторы в журнале Physical Review Letters.

При охлаждении ряда веществ до близкой к абсолютному нулю температуре они могут переходить в квантовое состояние, которое характеризуется новыми свойствами. В частности, гелий при таких условиях становится сверхтекучим, то есть ведет себя как жидкость с нулевой вязкостью. Также многие вещества, в первую очередь разреженные атомарные газы, становятся конденсатами Бозе — Эйнштейна, в которых частицы проявляют скоррелированное поведение и описываются единой волновой функцией.

Важным свойством сверхтекучих веществ оказывается возникновение квантовых вихрей, то есть небольших вращательных течений, которые могут существовать лишь при определенных значениях момента импульса. Теоретики предсказывают, что при достаточно быстром вращении эти возмущения будут сливаться с образованием единого гигантского вихря, но полноценной демонстрации такой конфигурации потока, которая поддерживается за счет собственного вращения, пока не было.

Французские физики под руководством Элен Перрен (Hélène Perrin) из Университета Париж 13 впервые в эксперименте получили относительно устойчивое вращение сверхтекучего вещества — предваряющую образование гигантского вихря конфигурацию. Авторы наблюдали уменьшение концентрации в середине системы вплоть до образования пустоты при превышении критического значения скорости. Ученым удалось добиться разгона потока до 18,4 чисел Маха, то есть превышения скорости звука в 18,4 раза. При этом удельный момент импульса на частицу достигал значений в 350ħ.

Физики использовали бозе-конденсат из ста тысяч охлажденных атомов рубидия, помещенных в оптическую ловушку с эллипсоидальным потенциалом. По мере ускорения вращения облако принимало форму диска, а потом кольца. Дальнейшее увеличение скорости приводило к его истончению вплоть до ситуации, когда его ширины недостаточно для удержания даже одного квантового вихря.

Авторам этой работы впервые удалось подобрать режим, в котором вращающееся кольцо самоподдерживалось после внешней раскрутки в течение более минуты благодаря центробежной силе. Это позволило провести дополнительные эксперименты, слегка возмущая течение. В частности, авторам удалось зафиксировать коллективные квадрупольные возбуждения кольца, из-за которых его форма иногда отклонялась от окружности и превращалась в эллипс. Частоты колебаний этой моды оказались в противоречии с существующими моделями, что указывает направление для будущих исследований как в экспериментальном плане, так и в теоретическом.

Конденсат Бозе — Эйнштейна и сверхтекучесть представляют собой отдельные феномены и не обязаны сосуществовать, но могут наблюдаться вместе. Это позволяет использовать бозе-конденсат для детального исследования некоторых феноменов, так как экспериментальные методы работы с ним хорошо развиты.

В частности, с помощью подобных экспериментов можно пытаться симулировать квантовое поведение заряженных частицы в магнитном поле. Это возможно, так как с математической точки зрения эта ситуация и вращение нейтрального газа могут описываться аналогичным гамильтонианом — функцией обобщенных координат и импульсов, описывающей динамику системы. Считается, что таким образом можно изучать другие квантовые явления, такие как сверхпроводники II рода и эффект Холла.

В 2017 году физики открыли новое состояние вещества, в котором сверхтекучесть наблюдается в твердом теле. Также ранее сверхтекучесть удалось наблюдать при комнатной температуре. Кроме того, в этом году ученые покрыли углеродную нанотрубку слоем сверхтекучего гелия.

Тимур Кешелава

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.