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
Разрешаем последние нестыковки физики Quantum Break со сценаристом игры
Мнение редакции может не совпадать с мнением автора
Как и всякий журналист, я всегда рад ценным и эксклюзивным комментариям. Это работает в том числе тогда, когда я пишу про физику в компьютерных играх. Для одного из прошлых текстов, посвященных доскам в Black Mesa, я достучался аж до самого их создателя и получил — первым в мире! — файлы с их исходниками. К сожалению, в случае с Quantum Break удача была не на моей стороне: никто из тех, кто отвечал за научное наполнение этих игр, мне так и не ответил. Зато это случилось после выхода моего разбора. Спустя некоторое время после публикации материала, я запустил в X небольшой тред с кратким изложением основных пунктов разбора на английском языке. Через девять дней твит, в котором я отметил, что в условиях остановки времени невозможно видеть, — прокомментировал сценарист компании Remedy Микко Рауталахти. В материале я писал: «Поскольку там останавливается все, включая свет, во время зависаний должно быть абсолютно темно. Частично это отражено в воспоминаниях антагониста о Конце времени, но бо́льшую часть игры мы видим сквозь застывшее время так же хорошо, как и в нормальных условиях. Мы даже способны читать электронные письма, пользоваться лифтами и слышать замедленную речь людей!» Рауталахти признался, что команда разработчиков тоже активно обсуждала эту логическую нестыковку. В явном виде придуманное объяснение в игру не вошло, но можно сказать, что во время зависаний главные герои — Джек и Пол (а также, видимо, любой, кто надел костюм с защитой от зависаний) — действительно не видят окружающий мир в привычном смысле, поскольку движение фотонов прекращается. Вместо этого для зрения они используют свои хроноспособности, которые служат им дополнительным сенсорным инструментом. Сценарист отметил, что такое «хронозрение» может работать как своего рода хрононный радар. Герой постоянно посылает хрононные импульсы, которые «оживляют» замершие фотоны. И хотя механизм в игре не упомянут напрямую, именно его авторы визуализировали с помощью волн, которые распространяются от Джека и Пола во время их зависаний. На самом деле это не совсем радарный принцип. Это был бы именно радар, если бы хрононные волны отражались от фотонов и возвращались к герою — как радиоволны от обычного радара отражаются от самолетов. Но с другой стороны, если бы это был настоящий радар, то это чуть лучше объяснило бы еще одно особое свойство хронозрения — возможность видеть сквозь стены и ощущать источники хрононов, разбросанные по уровню. Рауталахти отметил, что во время зависаний у хроноактивного героя могли быть проблемы не только со зрением, но и с дыханием — ведь молекулы воздуха, как и фотоны, застывают на месте. Но эта проблема решается за счет того, что время непосредственно вокруг хроноактивного героя снова начинает течь — соответственно, и дыхание возможно. Правда, если он будет долго стоять на одном месте, то кислород в его «хронопузыре» скоро закончится, и он задохнется. (От себя добавлю, что давление в такой области также должно неуклонно снижаться, поскольку под действием броуновского движения молекулы газа будут постоянно покидать область течения времени, собираясь слоем на ее границе.) Судя по всему, то, что спустя семь лет после выхода Quantum Break именно Микко Рауталахти так подробно ответил на вопросы по физике игры, — не случайно. По его словам, он был самым дотошным из команды в вопросах физических нестыковок. И вероятно, все эти годы об этих неувязках его никто не спрашивал. Поэтому ему мы должны сказать спасибо за то, что физическая картина процессов в игре настолько подробная и реалистичная. Я и сказал.
