Физики установили, почему в сверхтекучей среде нет ограничения скорости

Привет, Хабр! У меня есть отличная новость, которая касается в том числе и российских учёных. Хочу поделиться ею с вами.

Физики, представляющие Институт физических проблем им. П. Л. Капицы РАН и Ланкастерский университет, смогли определить, почему движущиеся в сверхтекучем гелии-3 объекты не имеют ограничения скорости. Установлено, что это связано с частицами, которые прилипают к поверхности объектов в этой среде. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Исходные данные

Что вообще такое сверхтекучая жидкость? Это жидкость, которая имеет нулевые вязкость и трение, то есть она течёт без потери кинетической энергии. Такую жидкость можно создать с помощью охлаждения до уровня чуть выше абсолютного нуля бозонов изотопа гелия-4. В этих условиях они замедляются и перекрываются, образовывая кластер атомов с высокой плотностью, действующих как один «суператом».

Это один тип сверхтекучей жидкости. Есть и другой, основанный на фермионе. Фермионы — это частицы, которые включают атомные строительные блоки, такие как электроны и кварки. При глубоком охлаждении температуры фермионы связываются в так называемые куперовские пары. Эти пары состоят из двух фермионов, образующих составной бозон. Куперовские пары ведут себя аналогично бозонам, поэтому могут образовывать сверхтекучую жидкость.

Что сделали учёные

Команда физиков создала свою фермионную сверхтекучую жидкость из гелия-3. Гелий-3 — редкий изотоп гелия, в котором отсутствует один нейтрон. При охлаждении до одной десятитысячной градуса выше абсолютного нуля (-273,15 градусов Цельсия) гелий-3 образует пары Купера. То есть он становится сверхтекучим, тем самым фактически обеспечивая отсутствие трения для движущихся объектов.

Долгое время было принято считать, что скорость движущихся через сверхтекучий гелий-3 объектов ограничена критерием сверхтекучести Ландау. А превышение этого предела повлечёт за собой разрушение сверхтекучей жидкости. Однако учёные выяснили, что посторонний предмет, движущийся через среду, может превысить критическую скорость, не повредив при этом хрупкую сверхтекучую жидкость.

Предпосылки к этому появились во время предыдущего эксперимента в Ланкастере, когда удалось доказать способность некоторых объектов двигаться с ещё большей скоростью без разрешения сверхтекучей жидкости. Проволочный стержень, движущийся в сверхтекучей жидкости гелий-3, мог превышать предельную скорость, не разрушая пары. Это противоречило пониманию сверхтекучести, и учёные под руководством Дмитрия Змеева хотели понять, как такое возможно.

Примерно так выглядят частицы, которые прилипают к поверхности, защищая её от взаимодействия со сверхтекучей жидкостью. (Изображение предоставлено Ланкастерским университетом)

Примерно так выглядят частицы, которые прилипают к поверхности, защищая её от взаимодействия со сверхтекучей жидкостью. (Изображение предоставлено Ланкастерским университетом)

Они протянули проволоку через сверхтекучую жидкость с высокой скоростью и измерили, какое усилие необходимо для перемещения проволоки. Не считая чрезвычайно небольшой силы, связанной с перемещением связанных частиц, когда проволока начинает двигаться, измеренная сила была равна нулю.

Команда пришла к выводу, что начальная сила возникает от пар Купера, которые немного перемещаются, чтобы приспособиться к движению, оказывая эту небольшую начальную силу на катанке. Но после этого проволока может двигаться свободно, как бы скрытая коконом из куперовских пар.

Выяснилось, что частицы в сверхтекучей жидкости прилипают к объекту, защищая его от взаимодействия с объемной сверхтекучей жидкостью, таким образом, предотвращая распад сверхтекучей жидкости. Можно сказать, что сверхтекучий гелий-3 ощущается как вакуум для движущегося через него стержня, хотя это относительно плотная жидкость. Поэтому и нет никакого сопротивления.

Что может дать миру это открытие

Фермионные сверхтекучие жидкости могут использоваться для получения сверхпроводников, необходимых для создания более эффективных квантовых компьютеров. Если вам интересно исходное исследование, посмотреть его можно здесь.

Источники

  • https://phys.org/news/2020-09-limit-superfluid-universe.html

  • https://www.nature.com/articles/s41467-020-18499-1

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *