;
Наука 29 мая 2022

Физики разработали камеру для съемки гелиевой «вселенной в капле»

Далее

Исследователи из Ланкастерского университета создали систему, которая способна запечатлеть внутреннюю структуру сверхтекучего гелия-3. Разработка, описанная в Physical Review B, поможет изучить турбулентные движения квантовых жидкостей.

Аппарат для изучения гелия-3, разработанный физиками, состоит из трех компонентов, погруженных в ванну с этим материалом: источника квазичастиц, источника вихрей и камеры. Система фиксирует тень вихревого клубка, формирующегося в сверхтекучей жидкости.

Охлаждение гелия-3 до низких температур в несколько мК превращает это вещество в сверхтекучую жидкость. Как отмечает в рецензии на публикацию Владимир Ельцов, физик из Университета Аалто, не участвовавший в исследовании, из-за богатства внутренней структуры гелий-3 часто называют «вселенной в капле». В сверхтекучем гелии-3 куперовские пары образуют вакуум, который обладает необычными динамическими свойствами, такими, например, как течение без трения. Напротив, неспаренные атомы образуют ферми-жидкость — квантовую жидкость, состоящую из фермионов.

Источник квазичастиц в созданном физиками устройстве — это закрытый ящик, внутри которого движущееся механическое устройство разбивает куперовские пары на квазичастицы, которые вылетают через точечные отверстия. Поскольку вне ящика температура намного ниже границы сверхтекучего перехода для гелия-3, и немногие куперовские пары разрываются тепловыми флуктуациями, квазичастицы вылетают из дыры прямолинейно, как лучи света.

Схематичная модель устройства. Источник: Noble et al, Physical Review B

Квазичастицы, вылетающие из ящика, попадают во вторую часть устройства. В ней колеблющийся полукруглый проволочный контур генерирует квантовые вихри — струны толщиной менее 100 нм. При этом квазичастицы, которые проходят достаточно близко от вихря, благодаря андреевскому отражению, возвращаются обратно к источнику в виде дырок. Остальные частицы долетают до камеры: массива кварцевых камертонов размером пять на пять. В результате таких манипуляций камера фиксирует тень вихревого клубка.

Уже в первых экспериментах исследователи обнаружили, что внешний край проволочной петли создает гораздо больше вихрей, чем внутренний, хотя скорости потока должны быть примерно одинаковыми на обоих краях. Этот эффект пока не объяснен, но показывает, что камера поможет в будущем узнать больше об особенностях квантовой турбулентности.

Изображение обложки: APS/Carin Cain


Читать далее

Во Вселенной происходит что-то странное: как объяснить нестыковки в постоянной Хаббла

Впервые синтезирован графин — «чудо материал нового поколения»

Вселенная без проводов: ученые раскрыли, как магнитное поле могло появиться «из ничего»