Проведенное исследование проливает свет на природу «неопознанных электронных объектов» – таинственного класса объектов, существующих в сверхтекучем гелии при низких температурах.

Исследователи разработали новый математический аппарат для описания движений внутри сверхтекучих жидкостей, т.е. жидкостей, которые при низких температурах демонстрируют свойства, описываемые в рамках как классической, так и квантовой механики. Данный математический аппарат позволил приоткрыть завесу тайны над странными объектами в сверхтекучем гелии, которые были обнаружены десять лет назад в Университете Брауна (США). Результаты исследования, проведенного международной командой ученых из Великобритании, России и Франции, было опубликовано сегодня, в журнале «Труды национальной академии наук» (PNAS) (США).

Квантовая природа сверхтекучих жидкостей проявляется в форме квантованных вихрей, крошечных завихрений с размером ядра порядка одного ангстрема (0.1 нм – приблизительно диаметр атома), которые двигаются внутри жидкости: разделяются и снова сливаются, формируя связки и переплетения. Чтобы показать, насколько сложным является такой процесс и насколько он отличается от движения обычной классической жидкости, достаточно сказать, что такие крошечные завихрения существуют в среде, состоящей из смеси вязких и невязких или идеально текучих компонентов жидкости, которые и придают жидкости свойства сверхтекучести. Математическое моделирование таких сложных систем, которые существуют в разных масштабах, как известно, является чрезвычайно трудной задачей.

Международная команда исследователей, включая Наталью Берлофф из Кембриджского университета и Сколковского института науки и технологий, Марка Браше из Университета Пьера и Мари Кюри (Франция) и Ника Прукакиса из Совместного квантового центра Дарем (Великобритания), предложила новый подход к решению данной задачи. Команда использовала свой собственный метод для объяснения интересного феномена, обнаруженного при исследовании жидкого гелия.

Электроны, рассеянные в сверхтекучем гелии, используются как крошечные испытательные зонды. При их движении сквозь сверхтекучую жидкость формируются мягкие пузырьки, диаметром примерно 2 нм. Пузырьки захватываются квантовыми вихрями. Это очень похоже на то, как дома и машины уносятся в потоке торнадо.

Группа ученых из Университета Брауна под руководством профессора Хемфри Мориса, исследовала влияние осциллирующего давления на такие электронные пузырьки. Когда давление опускается ниже критического значения, пузырек начинает расширяться, достигает размера порядка нескольких микрон и лопается. Пузырьки, захваченные квантовыми вихрями, лопаются при давлении, величина которого значительно больше, чем в случае обычных пузырьков. Команда Мориса также обнаружила еще один класс объектов, которые существуют исключительно при низких температурах и благодаря которым пузырьки лопаются при еще большем значении давления. Исследователи назвали их «неопознанными электронными объектами».

Новый подход, описанный сегодня в PNAS, позволил исследователям заглянуть «внутрь» процесса, который возникает при создании осцилляций давления в квантовой жидкости, содержащей вихревое кольцо, при различных температурах. Исследователи обнаружили совершенно новый механизм размножения вихрей. Ядро вихря расширяется, а затем сжимается. Во время сжатия формируется плотный массив новых вихревых колец. Исследователи пришли к следующему выводу: весьма вероятно, электронный пузырек захватывается более чем одной вихревой линией, что еще больше снижает перепад давления, необходимый для взрыва пузырька. Исследователи также показали, что механизм размножения вихрей подавляется при повышении температуры. Это объясняет, почему такие объекты были экспериментально обнаружены только при низких температурах.

Профессор Берлофф, возглавляющая команду, поясняет: «Это просто поразительно – владеть инструментом, который позволяет увидеть динамику процесса, происходящего в масштабе ангстрем, при сверхнизких температурах, в квантовых жидкостях. Загадка неопознанных электронных объектов – это только начало. Мы готовы к следующим открытиям».

«Понимание замысловатых особенностей поведения квантовых вихрей – это одна из величайших и доселе неразрешенных задач, которую мы пытаемся исследовать при помощи нашего метода» – добавляет профессор Прукакис.

Исследование проведено при поддержке Совета по инженерным и физическим научным исследованиям (Великобритания), ЕС и Фонда «Сколково».

Пресс-релиз Кембриджского университета представлен на сайте http://www.cam.ac.uk/research/news/hunt-for-an-unidentified-electron-object