Какова на ощупь «двумерная» квантовая сверхтекучая жидкость? Недавний эксперимент позволяет найти ответ

В исследовании раскрывается уникальное поведение двумерных квантовых сверхтекучих жидкостей и их взаимодействие с квазичастицами. Результаты, полученные в ходе новаторского эксперимента, углубят наше понимание квантовых явлений и даже могут в конечном итоге повлиять на разработку квантовых устройств, в частности, пролив свет на принципы переноса вещества в нанометрических масштабах.

Изучение свойств квантовых сверхтекучих жидкостей представляет собой важнейшую веху для современной физики. Недавно группа исследователей из Ланкастерского университета под руководством Д.Е. Змеева сделала значительный шаг вперед, охарактеризовав поведение двумерной квантовой сверхтекучей жидкости.

Работа, опубликованная в журнале Nature Communications, проливает свет на тонкие взаимодействия квазичастиц, связанных с поверхностью сверхтекучего вещества 3He при температурах, близких к абсолютному нулю. Таким образом, она позволяет больше узнать о квантовых состояниях материи и их потенциальном применении в квантовых технологиях.

Открытие нового двухмерного мира

Доктор Аути, соавтор исследования, поясняет в пресс-релизе: «С практической точки зрения мы не знаем ответа на вопрос каково это — прикоснуться к квантовой физике«. Он также добавил: «За всю 100-летнюю историю квантовой физики никто не смог ответить на этот вопрос. Теперь мы показываем, что, по крайней мере, в том, что касается сверхтекучего 3He, на этот вопрос можно ответить«.

При охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, сверхтекучий 3He переходит в экзотическое состояние вещества, известное как B-фаза. Эта фаза характеризуется образованием куперовских пар — пар связанных электронов, которые без сопротивления движутся вместе через сверхтекучую жидкость. Однако при возмущении этих пар они разделяются и высвобождают квазичастицы — возбуждения, переносящие энергию и импульс через сверхтекучую жидкость и играющие существенную роль в транспортных свойствах системы.

В работе Змеева было показано, что эти квазичастицы приобретают особое поведение, когда они приближаются к стенкам контейнера, в котором находится сверхтекучая жидкость. Они оказываются замкнутыми в двумерном пространстве — квантовом колодце, созданном потенциалом стенки, где они могут сохраняться на очень низких энергетических уровнях.

Сверхтекучая жидкость с двумя гранями

Для демонстрации этого свойства авторы проводили эксперименты при температуре около 1/10 000 градуса выше абсолютного нуля в специальном холодильнике, используя для зондирования сверхтекучей жидкости механический резонатор (размером с палец).

В этой сверххолодной среде сверхтекучего 3He квазичастицы, прикрепленные к поверхности контейнера, ведут себя иначе, чем в объёме сверхтекучей жидкости. Эти поверхностные квазичастицы движутся когерентно с постоянной скоростью, образуя регулярный поток, который изолирован от более хаотичных движений квазичастиц в трехмерной сверхтекучей среде.

Когда в эту тонкую систему вводится механический зонд и приводится в движение, он взаимодействует со сверхтекучей жидкостью неинвазивно, пока не достигнет определенной критической скорости. За этим порогом зонд начинает возмущать квазичастицы на поверхности, проталкивая их в сверхтекучую жидкость (глубже). Этот выброс является ключевым явлением: он сигнализирует о передаче энергии и импульса от квазичастиц на поверхности к квазичастицам в объеме.

Окно в квантовую диффузию

В данном эксперименте основное внимание было уделено явлению выхода квазичастиц с поверхности в объем сверхтекучей жидкости. Наблюдая за тем, как эти квазичастицы уходят, исследователи смогли сделать вывод о характеристиках движения квазичастиц, которые остаются прикрепленными к поверхности. Они обнаружили, что на эти поверхностные квазичастицы не влияют ни фононы, кванты колебательной (звуковой) энергии в стенках контейнера, ни тепловые квазичастицы, присутствующие в трехмерной сверхтекучей жидкости.

Особенно примечательно то, что эти поверхностные квазичастицы диффундируют между собой внутри двумерной сверхтекучей жидкости. Эта диффузия не случайна, а происходит по определенной временной схеме, соответствующей ожидаемому поведению частиц в связанном состоянии в двух измерениях.

Это означает, что поверхностные квазичастицы образуют отдельную систему, обладающую собственными взаимодействиями и движениями, не зависящими от внешних воздействий. Данное наблюдение имеет большое значение, поскольку указывает на то, что двумерный сверхтекучий флюид можно рассматривать как изолированную квантовую систему, обладающую уникальными диффузионными и транспортными свойствами. Это свойство может быть использовано для приложений в нанотехнологиях и квантовых вычислениях.