Как почувствовать квантовую физику на ощупь: удивительное открытие ученых

Сверхтекучий гелий — это одна из самых универсальных и интересных квантовых систем в лаборатории. Это жидкость, которая при очень низких температурах (менее 2,17 Кельвина) теряет вязкость и сопротивление и может течь без трения. Сверхтекучий гелий обладает множеством необычных свойств, таких как квантовая вихревая динамика, квантовая турбулентность, квантовая эвапорация и др. Сверхтекучий гелий часто используется для моделирования различных явлений в физике частиц, космологии и квантовой информатики.

Но как бы ощущался сверхтекучий гелий, если бы в него можно было окунуть руку? Недавно ученые из Ланкастерского университета в Великобритании провели новый эксперимент, который позволяет ответить на этот вопрос. Они провели эксперимент, в котором измеряли теплопроводность сверхтекучего гелия при разных температурах и энергиях. Для этого они использовали специальный контейнер с тонкими стенками из меди, которые нагревались электрическим током. Затем они подавали на стенки короткие импульсы тока разной амплитуды и измеряли изменение температуры жидкости.

Ученые обнаружили, что при очень низких температурах и энергиях сверхтекучий гелий имеет двумерный термомеханический характер. Это означает, что его объемное состояние ведет себя как вакуум и не реагирует на механические возмущения, а тепло переносится по поверхности контейнера в двумерной подсистеме. Если бы можно было вставить руку в такой сверхтекучий гелий, то она не почувствовала бы никакого сопротивления или давления, а только слабое охлаждение от поверхностного слоя жидкости.

Однако при более высоких температурах и энергиях сверхтекучий гелий переходит в трехмерный режим, в котором он начинает реагировать на механические возмущения и переносить тепло по всему объему. В этом случае рука почувствовала бы сильное сопротивление и давление от жидкости, а также интенсивное охлаждение от всего объема.

Это открытие не только дает новый взгляд на тактильный опыт квантовой физики, но и переопределяет наше понимание структуры сверхтекучего гелия. Ученые предполагают, что двумерный характер сверхтекучего гелия связан с тем, что при очень низких температурах и энергиях квантовые вихри, которые образуются в жидкости, становятся плоскими и располагаются параллельно поверхности контейнера. Это приводит к тому, что объемная часть жидкости становится однородной и неактивной, а поверхностная часть становится неоднородной и активной. При более высоких температурах и энергиях квантовые вихри становятся трехмерными и распределены по всему объему жидкости, что приводит к трехмерному характеру сверхтекучего гелия.