Иллюстрация: Panagiotis Christodoulou et al. / Nature, 2021. Европейские физики впервые экспериментально подтвердили наличие двух скоростей звука в двумерной сверхтекучей жидкости. Эти данные показывают, что двухжидкостная модель работает не только для трехмерных сверхтекучих жидкостей, но и для двумерных, пишут ученые в Nature. Одна из физических моделей для описания сверхтекучего гелия-II — двухжидкостная модель. По этой модели, при температуре выше абсолютного нуля, но ниже критической температуры гелий состоит их двух компонентов, находящихся в термодинамическом равновесии. Первый компонент — это сверхтекучая фаза, которая находится в квантово-коррелированном состоянии и течет без трения. Второй компонент — нормальная вязкая жидкость. Наличие двух жидкостей приводит к тому, что у такой среды и скорости звука — тоже две. В обычной трехмерной сверхтекучей жидкости быстрая звуковая волна — это обычная волна плотности, а медленная — энтропийная волна (хотя в общем случае такое разделение выполняется не всегда).

Сверху — однородная периодическая сила, приложенная к зафикисрованному в оптической ловушке двумерному бозе-газу, и измеренные колебания его плотности. Снизу — схема оптической ловушки с двумерным бозе-газом и данные измерений колебания его плотности. Panagiotis Christodoulou et al. / Nature, 2021

Эту модель с двумя скоростями звука ученые многократно подтверждали экспериментально и для жидкого гелия, и для газов ультрахолодных атомов. Считается, что аналогичная ситуация должна наблюдаться и для двумерного случая. Из-за тепловых флуктуаций нужный для сверхтекучести дальний порядок в пленках не возникает, но квантовая корреляция (и соответсвенно, сверхтекучее состояние) появляется в результате фазового перехода Березинского — Костерлица — Таулеса бесконечного порядка. Теория предсказывает, что после этого перехода у двумерной сверхтекучей жидкости тоже должно быть две скорости звука (правда, в этом случае обе они связаны с волнами плотности), но в эксперименте этот эффект раньше не наблюдали.

Впервые экспериментально доказать наличие двух звуковых волн в двумерной сверхтекучей пленке удалось британским, французским и немецким физикам под руководством Панайотиса Кристодулу (Panagiotis Christodoulou) из Кембриджского университета. Для этого ученые взяли двумерный бозе-газ, состоящий из атомов калия-39, зафиксировали его в оптической ловушке и приложили к нему однородную силу, изменяющуюся во времени по гармоническому закону.

Измерив колебания плотности бозе-газа при температурах чуть ниже и чуть выше критической, ученые обнаружили два резонансных пика — с частотами меньше и больше частоты вынуждающей силы. Ниже критической температуры оба пика были четко выражены, а при повышении температуры они несимметрично уменьшились. Оказалось, что два полученных спектра хорошо описываются двухжидкостной моделью, в которой доля сверхтекучей жидкости сильно падает при повышении температуры. Такая зависимость от температуры говорит о том, что в сверхтекучем состоянии в двумерной жидкости возбуждаются две звуковые волны с разной скоростью, а в нормальном — только одна (низкочастотное плечо на спектре нормального состояния соответсвует не второй скорости звука, а диффузионной моде, которая возникает вместо второй волны).

Спектры колебаний плотности двумерного бозе-газа в сверхтекучем (сверху) и нормальном (снизу) состояниях. Panagiotis Christodoulou et al. / Nature, 2021

Полученные значения для скорости звука ученые совместили с данными термодинамических расчетов и получили значение для плотности сверхтекучего компонента бозе-газа, которое подтвердило предсказания теории — так же, как это происходит для трехмерной сверхтекучей ферми-жидкости. Таким образом им удалось показать, что модель двухкомпонентной жидкости хорошо работает и для двумерных систем со скачкообразным изменением плотности сверхтекучего компонента во время перехода Березинского — Костерлица — Таулеса. Для данных измерений при самых низких температурах пока подходящей теории нет. При этом будущие эксперименты при температурах, еще ближе к абсолютному нулю, позволят проверить гипотезу гибридизации первой и второй скоростей звука.

Интересно, что из-за отсутствия вязкости сама сверхтекучая жидкость может двигаться со скоростью, значительно превышающей скорость звука. Например, в 2020 году физики сделали сверхтекучее кольцо, которое может больше минуты вращаться со скоростью, в 18 раз выше звуковой.

Автор: Александр Дубов
Источник: https://nplus1.ru/

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!