Физики впервые измерили две скорости звука в сверхтекучей пленке
Европейские физики впервые экспериментально подтвердили наличие двух скоростей звука в двумерной сверхтекучей жидкости. Эти данные показывают, что двухжидкостная модель работает не только для трехмерных сверхтекучих жидкостей, но и для двумерных, пишут ученые в Nature.
Одна из физических моделей для описания сверхтекучего гелия-II — двухжидкостная модель. По этой модели, при температуре выше абсолютного нуля, но ниже критической температуры гелий состоит из двух компонентов, находящихся в термодинамическом равновесии. Первый компонент — это сверхтекучая фаза, которая находится в квантово-коррелированном состоянии и течет без трения. Второй компонент — нормальная вязкая жидкость. Наличие двух жидкостей приводит к тому, что у такой среды и скорости звука — тоже две. В обычной трехмерной сверхтекучей жидкости быстрая звуковая волна — это обычная волна плотности, а медленная — энтропийная волна (хотя в общем случае такое разделение выполняется не всегда). Эту модель с двумя скоростями звука ученые многократно подтверждали экспериментально и для жидкого гелия, и для газов ультрахолодных атомов.
Считается, что аналогичная ситуация должна наблюдаться и для двумерного случая. Из-за тепловых флуктуаций нужный для сверхтекучести дальний порядок в пленках не возникает, но квантовая корреляция (и соответсвенно, сверхтекучее состояние) появляется в результате фазового перехода Березинского — Костерлица — Таулеса бесконечного порядка. Теория предсказывает, что после этого перехода у двумерной сверхтекучей жидкости тоже должно быть две скорости звука (правда, в этом случае обе они связаны с волнами плотности), но в эксперименте этот эффект раньше не наблюдали.
Впервые экспериментально доказать наличие двух звуковых волн в двумерной сверхтекучей пленке удалось британским, французским и немецким физикам под руководством Панайотиса Кристодулу (Panagiotis Christodoulou) из Кембриджского университета. Для этого ученые взяли двумерный бозе-газ, состоящий из атомов калия-39, зафиксировали его в оптической ловушке и приложили к нему однородную силу, изменяющуюся во времени по гармоническому закону.
Измерив колебания плотности бозе-газа при температурах чуть ниже и чуть выше критической, ученые обнаружили два резонансных пика — с частотами меньше и больше частоты вынуждающей силы. Ниже критической температуры оба пика были четко выражены, а при повышении температуры они несимметрично уменьшились. Оказалось, что два полученных спектра хорошо описываются двухжидкостной моделью, в которой доля сверхтекучей жидкости сильно падает при повышении температуры. Такая зависимость от температуры говорит о том, что в сверхтекучем состоянии в двумерной жидкости возбуждаются две звуковые волны с разной скоростью, а в нормальном — только одна (низкочастотное плечо на спектре нормального состояния соответсвует не второй скорости звука, а диффузионной моде, которая возникает вместо второй волны).
Полученные значения для скорости звука ученые совместили с данными термодинамических расчетов и получили значение для плотности сверхтекучего компонента бозе-газа, которое подтвердило предсказания теории — так же, как это происходит для трехмерной сверхтекучей ферми-жидкости. Таким образом им удалось показать, что модель двухкомпонентной жидкости хорошо работает и для двумерных систем со скачкообразным изменением плотности сверхтекучего компонента во время перехода Березинского — Костерлица — Таулеса. Для данных измерений при самых низких температурах пока подходящей теории нет. При этом будущие эксперименты при температурах, еще ближе к абсолютному нулю, позволят проверить гипотезу гибридизации первой и второй скоростей звука.
Интересно, что из-за отсутствия вязкости сама сверхтекучая жидкость может двигаться со скоростью, значительно превышающей скорость звука. Например, в 2020 году физики сделали сверхтекучее кольцо, которое может больше минуты вращаться со скоростью, в 18 раз выше звуковой.
Александр Дубов
Физики подтвердили это экспериментально
Физики обнаружили, что вероятность оказаться в определенном конечном состоянии для квантов света на 5,9 процента меньше теоретического предсказания. Это противоречит гипотезе о прямолинейных траекториях фотонов. В эксперименте ученые наблюдали при помощи интерферометра и оптической системы за распространением фотонов из подготовленных квантово-механических состояний, которые характеризуются суперпозицией координаты и импульса. Статья опубликована в журнале Physical Review A. Граница применимости классических законов физики на малых масштабах — вопрос, который по-прежнему исследуют ученые. Ранее мы разбирались в интервью с Михаилом Кацнельсоном, профессором Университета Радбауда, как квантовая механика переходит в классическую и наоборот. Этот переход можно проиллюстрировать на примере свободного движения частицы. В квантовой механике движению частицы сопоставляется эволюция пространственного оператора x̂(t) со временем, которая описывается в терминах начального состояния x̂(0) и импульса p̂x по следующей формуле: x̂(t) = x̂(0) + p̂x/m t. Если в эту формулу подставить конкретные значения x и px это уравнение будет соответствовать классическому первому закону Ньютона, который гласит, что частица массы m будет двигаться равномерно и прямолинейно в случае отсутствия действия сил на эту частицу. В случае безмассовых фотонов масса m заменяется на выражение h/(cλ), где h — постоянная планка, c — скорость света, а λ — длина волны фотона. Однако из-за соотношения неопределенности Гейзенберга невозможно одновременно определить конкретные значения x и px, но можно рассчитать вероятности P(L) и P(B) этим величинам принимать значения из интервалов L и B соответственно. В предположении прямолинейного распространения, частица окажется в положении M = L + Bt/m с вероятностью P(M, t). В 2017 году профессор Университета Хиросимы Хольгер Хофман (Holger F. Hofmann) предложил идею эксперимента по оптимизации одновременного контроля положений и импульсов квантовых частиц, максимизируя вероятность нахождения их значений в пределах двух четко определенных интервалов. Хофман рассчитал, что нижний предел вероятности P(M, t) определяется формулой: P(M, t) ≥ P(L) + P(B) − 1 и показал теоретически, что этот нижний предел может нарушаться квантовыми суперпозициями состояний, ограниченными интервалами положения и импульса. Однако экспериментально гипотезу Хофмана до сих пор не проверяли. Физики Такафуми Оно (Takafumi Ono), Нигам Самантарай (Nigam Samantarray) и Джон Рарити (John G. Rarity) из Университета Бристоля решили проверить это, экспериментально получив вероятности P(M, t), P(L) и P(B) на основе статистических распределений частиц. Для этого они использовали интерферометр, оптическую систему из щелей и линз, а также лазер, способный работать в однофотонном режиме. Путь фотонов разделяли по двум плечам интерферометра. В одном из плеч ученые установили щель заданной ширины L, чтобы создать пространственное состояние |L⟩, примерно соответствующее изображению щели. В другом плече — установили щель шириной Lʹ и тонкую линзу на фокусном расстоянии за щелью. В параксиальном приближении информация об импульсе перед линзой соответствует изображению за ней. Таким образом, ученым удалось создать суперпозицию пространственного |L⟩ и импульсного |B⟩ состояний фотонов. Для начального состояния ученые определили экспериментально вероятности P(L) и P(B), для этого они регистрировали распределения частиц, проходящих каждое плечо интерферометра независимо. На основании этих наблюдений физики получили теоретическую вероятность обнаружить фотоны в конечном состоянии в 13,1 процента. Физики при помощи ПЗС матрицы регистрировали фотоны на расстоянии z от щелей, подобранном таким образом, чтобы предсказанное Хофманом отклонение вероятности было практически максимальным. Такафуми Оно и его коллеги наблюдали интерференцию квантовых состояний положения и импульса фотонов. По мнению ученых эта интерференция и привела к уменьшению наблюдаемой в эксперименте вероятности на 5,9 процента. Ученые подчеркивают, что их экспериментальные результаты не дают новых интерпретаций траекторий квантовых частиц. Вместо этого на основе наблюдаемой статистики физики количественно показали, что, по крайней мере, первый закон Ньютона примерно на 5,9 процента не соответствует квантово-механическим вероятностям из-за эффектов квантовой интерференции. Авторы считают, что их результаты являются важным шагом на пути дальнейшего развития квантовой теории. Интерференция квантовых состояний не только нарушает первый закон Ньютона, но и может быть использована как инструмент в физике высоких энергий. О том, как физики исследуют и борются с квантовой неопределенностью мы писали в нашем материале «Далеко ли до предела».