Дикий эксперимент: что произойдет, если прикоснуться к квантовой жидкости

Такого еще никто не делал.

Физики окунули специальный зонд размером с палец в изотоп гелия, охлажденный чуть выше абсолютного нуля, и зафиксировали его физические свойства. По их словам, это первый раз, когда мы получили представление о том, какой может быть квантовая Вселенная «наощупь».

В зависимости от того, бозонами или фермионами являются составляющие жидкость частицы, жидкости называются соответственно бозонными или фермионными (бозе-жидкость или ферми-жидкость). А сверхтекучесть – это состояние вещества, которое ведет себя как жидкость с нулевой вязкостью и трением. Есть два изотопа гелия, которые могут создавать сверхтекучесть. При охлаждении чуть выше абсолютного нуля (-273,15 °C) бозоны изотопа гелия-4 замедляются достаточно, чтобы превратиться в кластер атомов высокой плотности, который ведет себя как один суператом.

Гелий-3 ведет себя немного по-другому, потому что основан на фермионах. При охлаждении ниже определенной температуры фермионы соединяются в так называемые куперовские пары, каждая из которых состоит из двух фермионов, которые вместе образуют составной бозон. Эти куперовские пары ведут себя точно так же, как бозоны, и поэтому тоже могут образовывать сверхтекучую жидкость.

Аутти и его команда уже некоторое время экспериментируют с фермионной сверхтекучей жидкостью гелием-3. Они обнаружили, что, хотя куперовские пары довольно хрупкие, исследователи могут вставить внутрь проволоку, не разрывая пары и даже не нарушая поток сверхтекучей жидкости. Поэтому команда решила разработать зонд для детального изучения свойств жидкости.

Оказалось, что поверхность жидкости образует независимый двумерный слой, отводящий тепло от стержня. Основная масса сверхтекучей жидкости под ним действует почти как вакуум. Исследователи обнаружили, что она совершенно пассивна и «ни на что не похожа». Единственной частью жидкости, которая взаимодействовала с зондом, был двумерный поверхностный слой. Термомеханические свойства сверхтекучей жидкости полностью определяются этим двумерным слоем.

Значение исследования довольно велико, говорят ученые. Сверхтекучий гелий-3 является самым чистым из известных материалов и поэтому представляет большой научный интерес для изучения коллективных состояний материи, таких как сверхтекучие жидкости. Понимание того, как ведет себя его двумерный слой, могло бы пролить свет на поведение квазичастиц, топологические дефекты и квантовые энергетические состояния.