В эксперименте впервые продемонстрировали сверхтекучесть водорода в наномасштабе, подтвердив предсказание, сделанное Виталием Гинзбургом полвека назад.
Физики из Университета Британской Колумбии, научного центра RIKEN и Университета Каназавы впервые наблюдали сверхтекучесть водорода в наномасштабе. Результаты исследования, опубликованные в журнале Science Advances, подтверждают теоретическое предсказание, сделанное лауреатом Нобелевской премии Виталием Гинзбургом еще в 1972 году.
Сверхтекучесть — это уникальное квантовое состояние материи, при котором жидкость течет без какого-либо трения или вязкости. До сих пор это явление наблюдали только в гелии и некоторых атомарных газах, но никогда — в водороде.
Основная сложность в изучении сверхтекучести водорода заключалась в его физических свойствах. При охлаждении до сверхнизких температур (-259 °C), необходимых для проявления квантовых эффектов, водород обычно превращается в твердое тело. Чтобы обойти это ограничение, исследователи разработали инновационный метод, создав настоящие «нанолаборатории».
Ученые заключили небольшие кластеры молекул водорода (от 15 до 20 молекул) внутри нанокапель сверхтекучего гелия при температуре -272,25 °C (0,4 K). В таких условиях водород сохранял жидкое состояние даже при экстремально низких температурах. Затем ученые внедрили молекулу метана в кластер и заставили ее вращаться с помощью лазерных импульсов.
Вращающаяся молекула метана сыграла роль детектора сверхтекучести — когда окружающий водород переходил в сверхтекучее состояние, метан начинал вращаться беспрепятственно, без сопротивления среды. Этот эффект убедительно доказал, что водород в нанокластерах действительно демонстрирует свойства сверхтекучей жидкости.
Открытие может иметь важное практическое значение. Водород считается многообещающим экологически чистым топливом, так как при его использовании в топливных элементах единственным побочным продуктом является вода. Однако проблемы производства, хранения и транспортировки водорода существенно ограничивают широкое применение этого энергоносителя.
Бесфрикционный поток сверхтекучего водорода теоретически мог бы стать основой для создания новых технологий более эффективной транспортировки и хранения этого газа, что приблизило бы масштабное использование водородной энергетики. Хотя до практического применения открытия еще далеко, оно закладывает фундаментальную научную основу для будущих технологических прорывов.
Читать далее:
Время может двигаться вперед и назад одновременно: что выяснили физики
Космологический принцип Вселенной поставили под сомнение
Новая смелая гипотеза переписывает историю Вселенной
На обложке: экспериментальная установка. Фото: Chie Nakayama, University of British Columbia
