С момента своего создания квантовая физика была окутана тайной, бросающей вызов нашему пониманию реальности. В этом причудливом квантовом мире частицы могут находиться одновременно в двух местах, действовать как частицы и волны, и даже «жуткие» действия могут мгновенно происходить на огромных расстояниях.

Проще говоря, квантовая механика настолько далека от повседневной жизни, что для посвященных она выглядит мистификацией. Но это вполне реально — настолько реально, что британским исследователям теперь удалось «прикоснуться к нему».

В новом исследовании ученые из Ланкастерского университета ввели зонд размером с палец в сверхтекучий гелий-3. В процессе они почувствовали «прикосновение к квантовой физике».

Исследование квантового мира с помощью сверхтекучести

Сверхтекучие вещества — уникальное состояние вещества. Представьте себе жидкость, текущую без всякого сопротивления, почти как волшебную жидкость без трения. Это достигается, когда некоторые элементы, такие как гелий, охлаждаются до температур чуть выше абсолютного нуля (-273,15°C или -459,67°F). При таких температурах атомы гелия замедляются, превращая его в сверхтекучее вещество.

Физики под руководством Самули Аутти проводили эксперименты при температуре примерно в 10 000 градуса выше абсолютного нуля в специальном холодильнике и использовали механический резонатор размером с палец, который колеблется между кинетической и потенциальной формами энергии, для исследования очень холодной сверхтекучей жидкости. Результаты эксперимента являются новаторскими не только для наших знаний о сверхтекучих средах, но и потому, что они дают представление о неосязаемом квантовом мире.

«С практической точки зрения мы не знаем ответа на вопрос: «Каково это — прикоснуться к квантовой физике?», — сказал Алутти, научный сотрудник и преподаватель в Ланкастере. «Эти экспериментальные условия экстремальны, а методы сложны, но теперь я могу сказать вам, каково было бы, если бы вы могли засунуть руку в эту квантовую систему».

Гелий существует в разных версиях, называемых изотопами, причем двумя яркими примерами являются гелий-3 и гелий-4. Оба могут превращаться в сверхтекучие жидкости, где жидкость течет без сопротивления. Гелий-4 достигает этого состояния, когда его частицы, называемые бозонами, становятся сверххолодными, заставляя их действовать коллективно как один гигантский «суператом».

С другой стороны, гелий-3 содержит частицы, называемые фермионами. В отличие от бозонов, фермионы не слипаются естественным путем. Однако, когда гелий-3 достаточно охлажден, его фермионы образуют «куперовские пары», которые имитируют поведение бозонов, позволяя гелию-3 также достигать сверхтекучего состояния посредством этого уникального механизма спаривания.

Эксперименты, проведенные Аутти и его командой со сверхтекучим гелием-3, привели к интригующим выводам. В частности, они обнаружили, что введение стержня в сверхтекучую жидкость не повредило хрупкие куперовские пары и не изменило иным образом поток жидкости.

Исследователи заметили, что на поверхности сверхтекучей жидкости образовался независимый двумерный слой, ответственный за рассеивание тепла от зонда. Основная часть сверхтекучей жидкости под этим слоем имела почти вакуумное качество. Оно казалось пассивным и практически незаметным. С зондом взаимодействовал только двумерный поверхностный слой, показывая, что термомеханические свойства сверхтекучей жидкости полностью определяются этим слоем.

«Эта жидкость казалась бы двухмерной, если бы вы могли сунуть в нее палец», — сказал Аутти. «Основная часть сверхтекучей жидкости кажется пустой, в то время как тепло течет в двумерной подсистеме по краям массы — другими словами, вдоль вашего пальца».

Последствия этого исследования имеют далеко идущие последствия. Благодаря своей редкости и чистоте сверхтекучий гелий-3 имеет большую научную ценность для изучения коллективных состояний материи. Понимание динамики его двумерного слоя может привести к новому пониманию состояний квантовой энергии, топологических дефектов и поведения квазичастиц.

После завершения исследования группа подчеркнула революционные последствия своих выводов, написав: «Эти направления исследований могут изменить наше понимание этой универсальной макроскопической квантовой системы».

Этот эксперимент, помимо того, что предлагает почти осязаемый штрих к квантовой физике, может также пролить свет на будущие квантовые исследования.

Результаты появились в журнале Природные коммуникации .