Узор в горошек опровергает гипотезу сверхтекучести

Экзотическое поведение возникает в атомах при охлаждении почти до абсолютного нуля — температуры настолько низкой, что атомы прекращают свое нервное движение. Поднеся изотоп гелий-3 к границе этого порога и ограничив его крошечным пространством, исследователи из Корнелла обнаружили, что в сверхтекучей жидкости спонтанно появляется удивительный узор в горошек.

«Мы обнаружили явные доказательства возникновения закономерности, по сути, ни с того ни с сего. Системы не должны этого делать», — сказал Дживак Парпиа, MS '77, доктор философии. '79, профессор физики, специализирующийся на физике низких температур.

Работа была описана в статье «Свидетельства пространственно-модулированной сверхтекучей фазы 3He в условиях конфайнмента», опубликованной в феврале в журнале Physical Review Letters. Парпиа сотрудничала с исследователями из Королевского Холлоуэя Лондонского университета (под руководством профессора физики Джона Сондерса и исследователя Льва Левитина), где эксперименты проводились с использованием специальных камер, построенных в Корнелле.

Сверхтекучие жидкости — это экзотические квантовые системы, которые ведут себя единым образом, без сопротивления и вязкости. При охлаждении на несколько градусов выше абсолютного нуля жидкий гелий-3 (изотоп, состоящий из двух протонов и одного нейтрона) отказывается от хаотического движения в пользу скоординированного движения. Материал можно описать как единую волновую функцию со специфическими свойствами.

Сверхтекучее состояние жидкого гелия было горячей темой исследований с момента его открытия в начале 1970-х годов в Корнелле. За эту работу работали физики Корнелла Дэвид М. Ли, Роберт К. Ричардсон и Дуглас Ошерофф, MS '71, доктор философии. '73, Нобелевская премия 1996 года и положила начало десятилетиям исследований, направленных на лучшее понимание квантовой физики.

Известно, что существуют две фазы сверхтекучего гелия-3 (фаза A и фаза B). В начале 2000-х годов в Северо-Западном университете физики-теоретики Джеймс Солс и Антон Воронцов предположили, что фаза B будет располагаться в виде полосатого узора плюсовой и минусовой ориентаций в равном соотношении, когда она ограничена почти двумерным пространством.

Проверка гипотезы зашла в тупик из-за сложности создания удерживающего устройства высотой всего лишь микрон (одна миллионная метра). Исследователи из Корнелла спроектировали и построили специальные магнитно-резонансные камеры в Корнеллском научно-технологическом центре наномасштабов (CNF) размером 1 сантиметр в длину и ширину и 1,1 микрон в высоту, создавая почти плоскую полость для проведения своих экспериментов.

Ограничив сверхтекучесть, физики обнаружили, что сверхтекучее состояние разделилось на положительные и отрицательные области, причем концентрация положительной области в четыре раза превышает концентрацию отрицательной. Результаты исключили полосатый узор, предполагая вместо этого либо регулярный, либо неупорядоченный набор островных доменов – другими словами, горошек.

Появление спонтанного узора — свидетельство нарушения симметрии, явление необычное. «Обычно такие модели требуют значительных затрат энергии, но горошек, похоже, снижает затраты энергии настолько, что это компенсирует», — сказал Парпиа. Он сказал, что полученные результаты однажды могут помочь в разработке принципов, используемых в квантовых вычислениях.

«Создать камеру одинаковой высоты, простирающуюся на такое большое расстояние, — это замечательно. Трудно придумать схемы, которые сохраняли бы такой профиль», — сказал Парпиа.

Камера была спроектирована Робертом Беннеттом, когда он работал научным сотрудником, а создана Николаем Желевым, MS '13, доктором философии. '16.

«Сверхжидкости — замечательные материалы, и мы по-прежнему удивляемся их богатству и неожиданному поведению, когда ограничиваем их все меньшими и меньшими системами», — сказал Парпиа. «Открытие этих экзотических форм материи в системе, которой мы можем управлять с большой точностью, дает нам знания, которые можно применить к более практичным электронным системам».

CNF поддерживается Корнеллским университетом, Национальным научным фондом (NSF), отделом науки, технологий и инноваций Empire State Development, отраслевыми партнерами и другими пользователями. Исследование было поддержано грантами Исследовательского совета по инженерным и физическим наукам в Великобритании, Национального научного фонда (в США) и Европейской платформы микрокельвина (в Великобритании).