Новое исследование пролило свет на природу «неопознанных электронных объектов» – таинственных частиц, которые присутствуют в сверхтекучем гелии при низких температурах. Исследователи разработали новую математическую модель, с помощью которой можно описать движение сверхтекучих жидкостей – жидкостей, существующих при низких температурах, которые обладают чертами, связанными как с классической, так и с квантовой механикой. Модель использовалась для того, чтобы приоткрыть тайну, окружающую странные объекты, которые присутствуют в сверхжидком гелии. Объекты были обнаружены 10 лет назад в Брауновском университете (США). Исследование, в котором участвовали исследователи из Великобритании, России и Франции, опубликовано 24 марта в журнале Proceedings of National Academy of Sciences(PNAS).
Квантовая природа сверхтекучих жидкостей проявляется в форме квантованных вихрей, небольших ураганах, размер ядра которых составляет 1 Ангстром (0,1 нм, что приблизительно соответствует диаметру атома). При движении по жидкости вихри соединяются и распадаются, образуя узлы и сплетения. Сложность этих процессов, их отличие от движения в классических жидкостях заключается также в том, что эти ураганы существуют на основе, состоящей из вязких и лишенных вязкости жидкостей, которые и представляют собой сверхтекучую жидкость. Математическое моделирование такой сложной системы, подразумевающей интервал масштабов, представляется весьма сложной проблемой.
Для решения этой задачи международная команда исследователей: Наталия Берлофф (Natalia Berloff) из Кембриджского университета (Великобритания) и Института науки и технологии Сколково (Россия), Марк Брачет (Marc Brachet) из университета Пьера и Марии Кюри (Франция) и Ник Прукакис (Nick Proukakis) из Совместного квантового центра Дурхам-Ньюкасла (Великобритания), – разработала новаторскую модель. Ученые применили созданный способ для того, чтобы пролить свет на феномен жидкого гелия.
Электроны, возникающие в сверхтекучем гелии, являются полезными экспериментальными зондами. По мере движения в сверхтекучей жидкости они образуют мягкие пузырьки диаметров примерно в 2 нм, которые попадают в ловушку квантовых вихрей точно так же, как дома и машины попадают в торнадо. Исследовательская команда из Брауновского университета (США) во главе с профессором Хампфри Марисом (Humphrey Maris) изучила воздействие колебательного давления на электронные пузыри. В том случае, если давление снижалось до критической точки, пузыри расширялись и взрывались, достигая размера микрона, в то время как пузырь, попавший в вихрь, взрывается при более высоком давлении, чем обычный пузырек. Команда Мариса обнаружила другой класс объектов, которые существуют только при очень низкой температуре и взрываются при еще более высоком давлении. Ученые назвали их «неопознанными электронными объектами».
Новый подход, опубликованный в PNAS 24 марта, позволил изучить эти процессы при колебательном давлении, приложенном к квантовой жидкости, в которой при интервале температур имелись квантованные вихри. Исследователи обнаружили новый механизм увеличения числа вихрей: ядро вихря расширяется, а затем сжимается, образуя на последнем этапе плотный пучок новых вихрей. Они соединялись между собой, и казалось, что электронный пузырь попадал в ловушку сразу нескольких вихрей, что еще сильнее снижало уровень изменения давление, который был необходим для взрыва пузырька. Ученые также доказали, что увеличение числа вихрей не происходит при высоких температурах, что объясняет, почему в ходе экспериментов электронные объекты встречаются только при низких температурах.
Профессор Берлофф, глава исследовательской команды, объяснила: «Удивительно, что существует устройство, с помощью которого можно в динамике посмотреть на процессы, которые проходят в квантовых жидкостях на уровне в один Ангстром при сверхнизкой температуре. Загадка неопознанного электронного объекта нас только подзадорила, мы готовы и к другим вызовам».
«Сложная природа поведения квантовых вихрей представляется одной из великих нерешенных проблем, которые можно решить с помощью нашей модели», – добавляет профессор Прукакис.