Физики сделали жидкий гелий одномерным

Американские физики создали одномерную квантовую жидкость из гелия-4. Для это они заполнили гелием цилиндрические нанопоры в материале, предварительно покрытом аргоном. Поведение гелия, исследованное с помощью нейтронного рассеяния, оказалось в хорошем согласии с симуляциями одномерной жидкости. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Достаточно сильное ограничение движения квантовых объектов (конфайнмент) неизбежно приводит к изменению их физических свойств. Наиболее ярко это проявляется для электронов, ограничение для движения которых в одном, двух и трех направлениях соответствуют принципиально разным объектам: квантовым ямам, квантовым проволокам и квантовым точкам. Этот принцип справедлив даже для вакуумных флуктуаций, ограничение которых приводит к эффекту Казимира.

Естественно ожидать, что свойства жидкостей и газов, помещенных в низкоразмерные структуры, также будут меняться. Для одномерных квантовых жидкостей, называемых жидкостями Томонаги — Латтинжера (иногда просто Латтинжера), соответствующая теория была готова еще в середине прошлого века. Согласно ей в низкоэнергетическом пределе пропадают различия между бозонами и фермионами.

Проверка теории Томонаги — Латтинжера стала возможна благодаря прогрессу в охлаждении и пленении холодных газов. Мы уже рассказывали, как физики проделали это с атомами лития-6 и рубидия-87. Однако интерес представляет исследование конфайнмента в сжиженных изотопах гелия, поскольку они представляют собой традиционный объект исследования в физике квантовых жидкостей. Кроме того, гелий-3 и гелий-4 различаются по статистике (фермионы и бозоны, соответственно), поэтому было бы интересно сравнить их поведение в контексте теории Томонаги — Латтинжера.

К сожалению, атомы гелия не поддаются такому же легкому пленению, как щелочные и щелочноземельные атомы. Единственный способ исследовать низкоразмерные эффекты — это помещать жидкий гелий в достаточно узкие пространства, шириной не более единиц нанометров — на этом масштабе сохраняется когерентность сверхтекучести гелия. Пока этого удалось добиться всего в одном измерении с помощью жидкогелиевых пленок.

Теперь же группа американских физиков под руководством Эдриана дель Маэстро (Adrian Del Maestro) из Университета Теннеси и Пола Сокола (Paul Sokol) из университета Индианы сообщила об успешном исследовании жидкого гелия-4, запертого в цилиндрических нанопорах. Анализируя упругие и неупругие рассеяния нейтронов на атомах гелия, ученые подтвердили основные выводы теории Латтинжера, а также смогли извлечь соответствующий параметр, оказавшийся в согласии с более ранними моделями.

Авторы создавали поры внутри мезопористого материала MCM-41. Сразу после синтеза диаметр пор был равен 3,0 ± 0,3 нанометров, чего недостаточно для конфайнмента жидкого гелия. Физики эффективно уменьшили его до двух нанометров, осадив на стенки цилиндрических пор атомы аргона, после чего принялись заполнять их гелием. Как показали симуляции совместно с измеренной изотермой абсорбции, места в порах хватило еще для трех цилиндрических слоев атомов гелия, плотно связанных с аргоновыми стенками, и ядра — центральной атомной нити, которая и представляла собой одномерную жидкость.

Физики облучали получившиеся образцы нейтронами измеряли количество рассеяний, которые характеризовались переданным импульсом и энергией. В частном случае нулевой переданной энергии речь идет об упругом рассеянии, которое возможно только в твердых структурах, и потому не наблюдается в жидком гелии. Здесь же соответствующий структурный фактор оказался ненулевым: в его зависимости от переданного импульса присутствовали два четких сигнала. Симуляции показали, что один из них — широкий пик в области 2,1 обратного ангстрема — соответствует отклику гелиевых слоев, а другой — узкий пик на 1,6 обратного ангстрема — отклику ядра. Второй пик соответствовал межатомному интервалу, равному 3,92 ангстрема, что было в согласии с теорией.

Анализ неупругих рассеяний также подтвердил, что физики имеют дело с одномерной жидкостью Латтинжера. Это выражалось в том, что переданная энергия монотонно росла с увеличением переданного импульса, что характерно для одномерных жидкостей, в том время как в неограниченных жидкостях эта зависимость выходит на плато. Произведя подгонку теории под наблюдаемые зависимости, ученые извлекли параметр Латтинжера, который оказался равен 1,18. Это значение оказалось в согласии с численным и аналитическим моделированиями, проведенными в предыдущих исследованиях. Повтор этих экспериментов при разных температурах показал, что ядро оставалось одномерным даже при температурах выше, чем температура кипения обычного гелия, равная 4,2 кельвина.

Подробнее узнать об исследовании сверхтекучести в жидком гелии вы можете в материале «Чашка жидкого гелия».

Марат Хамадеев