Окунитесь в удивительный мир сверхтекучей жидкости, способной бесконечно течь без трения, бросая вызов общепринятым правилам, с которыми мы сталкиваемся каждый день, когда вода льется, сироп прилипает, а кофе закручивается и замедляется под действием вязкости. В этих необычных жидкостях движение часто организуется в квантованные вихри: крошечные, долгоживущие водовороты, которые являются основными строительными блоками сверхтекучего потока.

Международное исследование, проведенное в Европейской лаборатории нелинейной спектроскопии (LENS) с участием исследователей из CNR-INO, университетов Флоренции, Болоньи, Триеста, Аугсбурга и Варшавского политехнического университета, начало свой путь с изучения динамики вихрей в сильно взаимодействующих сверхтекучих средах, раскрывая фундаментальные механизмы, управляющие их поведением.

Используя сверххолодные атомные газы, ученые открывают уникальное окно в этот экзотический мир, воссоздавая условия, аналогичные тем, которые наблюдаются в сверхтекучем гелии-3, недрах нейтронных звезд и сверхпроводниках.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Изучение поведения вихрей в сверхтекучих жидкостях

«В сверхтекучей среде вихри являются стабильными объектами, поскольку их распад подавляется», — говорит Никола Грани, доктор философии в области физики и астрономии Флорентийского университета и первый автор публикации. «Однако диссипация сверхтекучего потока все еще может возникать из-за внутренних микроскопических сил, действующих непосредственно на вихри».

«Эти силы возникают в результате взаимодействия сверхтекучей и нормальной компонент в сверхтекучих жидкостях при конечной температуре, что приводит к так называемому взаимному трению. Поэтому вихри играют решающую роль в определении эффективности переноса тока, и их динамика может быть использована в качестве чувствительного инструмента для исследования микроскопических механизмов, управляющих взаимным трением».

Экспериментальные методы и наблюдения

Исследователи изучали вихри в сильно взаимодействующем фермионном сверхтекучем газе из атомов лития, охлажденном всего до десяти миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля. В обычных системах, таких как сверхтекучий жидкий гелий или твердотельные сверхпроводники, эксперименты обычно включают большое количество взаимодействующих вихрей, расположенных в сложных и трудноуправляемых конфигурациях. Сверххолодные атомные газы, напротив, представляют собой исключительно чистую и легко программируемую платформу, позволяющую беспрецедентно контролировать поведение вихрей.

«В этом исследовании мы использовали лазерный свет для точного возбуждения квантованных вихрей путем перемещения оптического потенциала, что позволило нам создавать произвольные конфигурации вихрей», — объясняет Диего Эрнандес-Райков, исследователь из CNR-INO в LENS. «Такой уровень контроля позволяет нам изучать динамику отдельного вихря».

Используя этот подход, исследователи наблюдали спиральное движение вихря, вращающегося вокруг другого вихря, закрепленного в центре дискообразной сверхтекучей жидкости.

«Анализируя траектории вихрей, мы реконструировали микроскопические процессы, регулирующие движение вихрей, и получили прямой доступ к их внутренней структуре», — добавляет Эрнандес-Райков. «Анализ показал, что в исследованном режиме на динамику вихрей влияют квазичастицы, захваченные внутри ядра вихря и занимающие так называемые матричные состояния Кароли-де Женнеса, что является первым косвенным экспериментальным доказательством их присутствия в этом режиме».

Данное исследование открывает новые перспективы для понимания динамики вихрей в сверхтекучих средах и сверхпроводниках.

Перспективы развития и влияние технологий

По словам Джакомо Роати, члена LENS, директора по исследованиям CNR-INO и руководителя исследовательской группы: «Сверххолодные атомные газы предоставляют уникальную платформу для изучения экзотического поведения сверхтекучих жидкостей. Точно контролируя эти газы в лаборатории, мы можем воссоздавать и изучать их фундаментальные свойства способами, которые трудно или невозможно реализовать в других системах. Понимание того, как движутся эти вихри, имеет важное значение для контроля рассеивания энергии и проектирования высокоэффективных новых квантовых устройств».

«Наша платформа также может быть расширена для изучения систем со множеством взаимодействующих вихрей , что открывает возможности для контролируемых исследований сверхтекучей турбулентности — явления, имеющего значение для всей физики, от фундаментальных исследований до передовых технологий».