В сверхтекучем газе получили долгоживущий сверхзвуковой ток
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
Для этого он снимал на видео и моделировал работу этой игрушки
Американский физик экспериментально и теоретически исследовал вращение нити в стрингшутере — игрушке, в которой небольшие вращающиеся колеса формируют в воздухе стабильные нитевые петли. Построенная ученым модель хорошо объяснила опыт и при этом оказалась достаточно простой, чтобы использовать ее на занятиях по механике. Исследование опубликовано в The Physics Teacher. Стрингшутер (иногда струнный шутер) — это игрушка, представляющая собой длинную замкнутую нить, вращающуюся вдоль своей длины под действием управляющих колесиков или валов подобно лассо. Замечательная особенность стрингшутера в том, что при правильных условиях в воздухе образуется стабильная веревочная петля, по которой можно запускать волны. Этот факт привлек внимание физиков сравнительно недавно и получил удовлетворительное математическое объяснение. Вместе с тем, игрушка могла бы стать хорошим дидактическим материалом при изучении физики, поэтому было бы полезно построить достаточно простую теорию, описывающую петлю, но в то же время объясняющую эксперимент. Сделать это удалось Карлу Мамола (Karl Mamola) из Аппалачского университета. Он записал систему простых уравнений для петли стрингшутера и численно решил их, сравнив результат с вращением нити в настоящей игрушке, а также показал, откуда возникает ее устойчивость. Чтобы двигающаяся петля оставалась в равновесии, необходимо, чтобы была равна нулю не только действующая на нее равнодействующая сила, но и полный момент сил. Особенность игрушки в том, что колеса не создают такого момента, поскольку прилагаемая ими сила имеет нулевое плечо. Аэродинамической подъемной силы в этом случае также не возникает из-за того, что воздушный поток вокруг нити симметричный. Вместо этого воздух создает силу сопротивления, зависящую от скорости. А поскольку модуль скорости постоянен вдоль нити, то таким же свойством обладает и сила сопротивления. Ее интегральное действие на всю петлю формирует момент сил, направленный противоположно гравитационному моменту и обеспечивающий равновесие. С учетом этого факта физик рассмотрел бесконечно малый участок нерастяжимой и абсолютно гибкой нити и записал для него второй закон Ньютона для движения и вращения. Численное интегрирование этих уравнений способно восстановить форму петли, для чего ученому нужны были какие-то конкретные параметры петли. Он взял их из эксперимента с реальной игрушкой, произведенной фирмой LoopLasso, с нитью стрингшутера длиной 3,08 метра и массой 2,72 грамма и диаметром колес 2,7 сантиметра. Боковая фотография нити и ее последующая оцифровка позволили получить координаты участков петли и ее общие параметры: размер, угол запуска и угол возврата. Также физик пометил один из участков нити маркером, что позволило вычислить скорость нити по видео — она составила 7,5 метра в секунду. Автор использовал добытые параметры в моделировании. Единственную неизвестную величину — коэффициент сопротивления — он извлек из подгонки с наилучшим соответствием. Результаты моделирования оказались в хорошем согласии с опытом. Отклонения наблюдались только в области большой кривизны — физик связал это с невыполнением требования абсолютной гибкости. На основе развитой модели он также показал, что момент силы тяжести уравновешивается сопротивлением воздуха вдоль всей нити. Ранее мы рассказывали, как физики объясняют механику других повседневных вещей и явлений: падения бутерброда маслом вниз, живучесть кошек при падении с высоты и переноску чашки с кофе.