Физики из Франции и Великобритании исследовали затухание колебаний в сверхтекучем гелии-4 с помощью наномеханического резонатора. В результате ученые обнаружили три режима затухания, которые доминируют в разных диапазонах температур, а именно: гидродинамический, баллистический и акустический режимы. Ухватить все три механизма с помощью одного инструмента до сих пор не удавалось. В будущем с помощью подобного прибора ученые планируют разглядеть «внутреннюю структуру» жидкого гелия, недоступную для обычных измерений. Статья опубликована в Physical Review B, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org. Чем ниже температура жидкости, тем больше ее частиц переходят в состояния с одинаковыми энергиями, а потому их квантовые свойства проявляются все сильнее и сильнее. При достаточно низкой температуре такие эффекты начинают доминировать и «классическая» жидкость превращается в квантовую (либо замерзает и превращается в обычное твердое тело).
Фотография резонатора. Antony Guénault et al. / Physical Review B, 2019
Самые известные примеры квантовых жидкостей — это жидкий гелий-4 и гелий-3; в первом квантовые эффекты проявляются при температуре ниже 2,17 кельвина, во втором — при температуре ниже 2,6 милликельвина.
К сожалению, обе квантовые жидкости до сих пор изучены недостаточно хорошо. Конечно, существуют теории, объясняющие свойства этих жидкостей с помощью квазичастиц — фононов и ротонов; более того, за эти теории вручены Нобелевские премии 1962 и 2003 года. Квазичастицы — это низкотемпературные возбуждения над спокойной средой, которые обладают теми же характеристиками, что и обычные частицы. Теории с квазичастицами хорошо объясняют свойства квантовых жидкостей на масштабах, сильно превосходящих длину волны де Бройля квазичастиц. Однако на меньших масштабах такие теории по понятным причинам «ломаются», и физикам приходится придумывать что-то новое.
Чтобы экспериментально исследовать свойства квантовых жидкостей на таких мелких масштабах, физики предлагают использовать наноэлектромеханические системы (NEMS) — миниатюрные устройства размером в несколько сотен нанометров, которые возбуждают колебания жидкости и измеряют ее отклик. Если характерный размер такого резонатора совпадет с длиной волны де Бройля квазичастиц, то он будет взаимодействовать с квазичастицами по отдельности, а если уменьшить его еще сильнее, то он сможет разглядеть «внутреннюю структуру» квантовой жидкости. Однако первые эксперименты с NEMS и квантовыми жидкостями были проведены всего несколько лет назад. Например, в 2017 году группа ученых под руководством Энтони Гено (Antony Guénault) впервые использовала нанорезонаторы, чтобы измерить гидродинамические свойства жидкого гелия-4 при температуре выше одного кельвина.
В новой работе исследователи продолжили развивать этот подход, применяя его к сильно охлажденному гелию-4, в котором квантовые свойства проявляются гораздо сильнее. В качестве резонаторов ученые использовали маленькие алюминиевые палочки, прикрепленные с помощью фотолитографии к кремниевой пластинке с покрытием из нитрида кремния. Толщина палочек составляла 130 нанометров, ширина — 300 нанометров, а длина — 30 или 150 микрометров, что отвечало частоте колебаний 11,6 или 1,6 мегагерц соответственно. Чтобы возбудить колебания палочек, физики накладывали на систему постоянное магнитное поле и пропускали через палочки переменный ток. Чем больше была напряженность магнитного поля, тем больше была сила Ампера и тем сильнее изгибались палочки. Наконец, исследователи залили резонатор жидким гелием-4 и охладили систему до температуры около семи милликельвинов.
Фотография резонатора, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, и характерный отклик резонатора в вакууме при температуре семь милликельвинов (во врезе). Antony Guénault et al. / Physical Review B, 2019
Сначала ученые сравнили, как колебания резонаторов затухают в вакууме и в жидком гелии при температуре семь милликельвинов. Оказалось, что в гелии добротность обоих резонаторов падает примерно в десять раз, даже когда напряженность магнитного поля не превышала 0,1 тесла. По словам физиков, это поведение довольно контринтуитивно, поскольку при такой низкой напряженности поля амплитуда колебаний очень мала, а взаимодействием с нормальной компонентой сверхтекучей жидкости можно пренебречь.
Зависимость обратной добротности колебаний от напряженности магнитного поля. Синим подсвечены данные, собранные в вакууме, красным — в гелии-4 при температуре семь милликельвинов. Antony Guénault et al. / Physical Review B, 2019
Затем физики измерили, как добротность колебаний зависит от температуры жидкости, и подобрали теоретическую модель, которая описывает полученные результаты. В результате ученые выделили три основных механизма, доминирующих при разных температурах. При температуре от одного до трех кельвинов затухание в основном обусловлено гидродинамическими потерями, то есть вязкостьюнормальной компоненты. В промежуточном диапазоне между 0,4 и 0,7 кельвина доминирует баллистическое рассеяние квазичастиц — ротонов и фононов. Наконец, при еще более низких температурах резонатор теряет энергию за счет излучения акустических волн (первого звука), которое хорошо описывается в дипольном приближении. Грубо говоря, в этом режиме резонатор рождает новые квазичастицы вместо того, чтобы рассеивать существующие.
Температурная зависимость обратной добротности колебаний более длинного резонатора. Разными цветами отмечены данные, собранные при разной напряженности магнитного поля. Красная сплошная линия описывает теоретическую зависимость с учетом акустических и баллистических потерь, синяя пунктирная линия — с учетом только баллистических потерь. Antony Guénault et al. / Physical Review B, 2019
По словам ученых, все эти режимы уже наблюдались на практике в разных экспериментах, однако почувствовать все три с помощью одного-единственного прибора до сих пор не удавалось. Это обусловлено большой разницей в скорости затухания колебаний: в гидродинамическом режиме добротность колебаний находилась на уровне Q ~ 10, тогда как в акустическом режиме Q ~ 107. Более того, снятая с помощью нанорезонатора зависимость идеально согласуется с теоретическими предсказаниями во всех трех режимах, не требуя дополнительных «подгоночных» параметров.
В будущем физики собираются поставить аналогичный эксперимент в жидком гелии-3, длина когерентности которого составляет несколько сотен нанометров, то есть совпадает с размерами резонатора. Авторы надеются, что это поможет разглядеть «внутреннюю структуру» сверхтекучей жидкости.
В мае прошлого года мы писали о другом способе исследования сверхтекучей жидкости: тогда японские физики использовали магнитно-резонансную томографию, чтобы разглядеть хиральные доменные стенки в сверхтекучем гелии-3. А в мае 2015 года ученые из Канады, США и Германии впервые экспериментально изучили движение сверхтекучего гелия в квазиодномерных системах — тонких капиллярах толщиной всего несколько нанометров. Оказалось, что такие тонкие капилляры почти не замечают сверхтекучесть гелия, затормаживая его наравне с обычной вязкой жидкость.
Автор: Дмитрий Трунин
Источник: https://nplus1.ru/
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
