Экспериментально подтверждена давняя квантовая теория

Мы все знаем, интуитивно, что нормальные жидкости текут быстрее по мере сужения канала. Вспомните о реке, текущей через быстрины.

Но что если труба была бы так удивительно мала, что лишь немногие атомы сверхтекучего гелия могли бы протиснуться через нее? По давней квантовомеханической модели, сверхтекучий гелий ведет себя отлично от нормальной жидкости: на самом деле он будет замедляться.

В течение более чем 70 лет ученые изучали поток гелия через все меньшие трубки. Но только в последнее время нанотехнологии позволили достичь масштабов, необходимых для проверки теоретической модели, известной как теория Томонаги-Латтинджера.

Теперь команда исследователей Университета Макгилла в сотрудничестве с коллегами из Университета Вермонта и Лейпцигского университета в Германии достигли успеха в проведении экспериментов с наименьшим на сегодня каналом – менее 30 атомов в диаметре. В результатах, опубликованных в Science Advances, исследователи сообщают, что поток сверхтекучего гелия через этот микроскопический кран, по-видимому, действительно замедляется.

«Наши результаты демонстрируют, что квантовый кран действительно показывает принципиально отличное поведение, - сказал проф. Гийом Жерве (Guillaume Gervais) из Университета Макгилла, который руководил проектом. - Мы еще не имеем явных данных, но считаем, что это большой шаг к экспериментальному доказательству теории Томонаги-Латтинжера для реальной жидкости».

Выводы из исследования могут когда-нибудь способствовать новым технологиям, таким как нанодатчики с применением в системах GPS. Но сейчас, говорит проф. Жерве, результаты значимы просто потому, что «мы расширяем предел понимания вещей на наноуровне. Мы приближаемся к серой зоне, где вся физика меняется».

Профессор Адриан Дел Маэстро (Adrian Del Maestro) из Университета Вермонта использовал компьютерное моделирование, чтобы понять, насколько мал должен быть кран для возникновения новой физики. «Возможность изучать в лаборатории квантовую жидкость на таких малых масштабах длины чрезвычайно интересна, так как это позволяет нам расширить наше фундаментальное понимание, как атомы кооперируются для формирования сверхтекучего состояния материи, - отметил он. - Замедление сверхтекучей жидкости, которое мы наблюдаем, сигнализирует, что эта кооперация начинает разрушаться по мере того как ширина трубы сужается до наномасштаба и приближается к экзотическому одномерному пределу, рассмотренному в теории Томонаги-Латтинджера».

Создание, возможно, наименьшего в мире крана было не простой задачей. Идея у проф. Жерве возникла в течение пятиминутного разговора за чашкой кофе с одним ведущим физиком-теоретиком. Это было восемь лет назад. Но получение работающей нанотрубки потребовало "по крайней мере, 100 испытаний, может быть, 200", говорит проф. Жерве, который является научным сотрудником Канадского института передовых исследований.

Используя пучок электронов как своего рода сверло, команда сделала отверстия порядка семи нанометров в куске нитрида кремния, плотного материала, используемого в таких приложениях, как автомобильные дизельные двигатели и высокопроизводительные шарикоподшипники. Охладив установку до очень низких температур, поместив сверхтекучий гелий с одной стороны поры и создав вакуум с другой стороны, исследователи могли наблюдать поток сверхтекучей жидкости через канал. Изменяя размеры канала, они обнаружили, что максимальная скорость потока замедляется по мере того как радиус поры уменьшается.

В эксперименте использовалась уникальная характеристика сверхтекучести. В отличие от обычных жидкостей, воды или кленового сиропа, например, сверхтекучие жидкости могут течь без вязкости. В результате, они могут проходить через чрезвычайно узкие каналы; и, начав течь, они не нуждаются в каком-либо давлении, чтобы продолжать протекание. Гелий является единственным известным сверхтекучим элементом в природе; он становится таким при охлаждении до чрезвычайно низкой температуры.

Однако в течение многих лет исследователей постигали технические неудачи: крошечные поры в нитриде кремния забивались загрязнениями. В один день, когда проф. Жерве был на конференции за рубежом, новый студент в своей лаборатории случайно отклонился от операционной процедуры команды и оставил клапан открытым в аппарате. «Оказалось, что это открытый клапан сохранил отверстие открытым, - объяснил проф. Жерве. - Это был ключ к успешному эксперименту. Научные прорывы не всегда происходит по плану!»

Устройство, используемое физиками из Университета Макгилла для проверки течения сверхтекучего гелия через нанопоры

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365