Аннотация:
Физическое сообщество совершило прорыв в области исследования экстремальных состояний материи. Научно-исследовательская группа впервые с высокой точностью успешно измерила микроскопические свойства необычного квантового материала, который невозможно удержать ни в одном традиционном контейнере, — сверхтекучего гелия. Этот экспериментальный результат не только решает проблемы измерений, которые десятилетиями мучили физическое сообщество, но и открывает новые пути глубокого изучения квантовой механики жидкости и эволюции материи в экстремальных условиях.
При охлаждении жидкого гелия до критической точки перехода, близкой к абсолютному нулю (минус 273,15 градусов Цельсия), происходит квантовый фазовый переход в сверхтекучее состояние. Вещества в сверхтекучем состоянии полностью теряют вязкость и не создают сопротивления трения при течении. Это исключительное свойство отсутствия трения дает сверхтекучим свойствам удивительную способность карабкаться по стенам: они могут образовывать чрезвычайно тонкую микроскопическую пленку вдоль стенок содержащего ее стакана или испытательной камеры, подниматься вверх и вытекать через край контейнера, поэтому физически ни один обычный контейнер не может полностью запечатать и удержать ее. В течение долгого времени это спонтанное восхождение и неспособность к статическому размещению чрезвычайно затрудняли исследователям стабильное измерение его термодинамических и микроскопических параметров квантовой динамики без вмешательства граничных эффектов.
Чтобы преодолеть это экспериментальное ограничение, физики разработали инновационное решение для подвески и бесконтактного обнаружения. Экспериментальная группа использовала сверхпроводящую технологию магнитной левитации и прецизионную систему оптических пинцетов для подвешивания следовых количеств капель сверхтекучего гелия в космосе в условиях сверхвысокого вакуума и чрезвычайно низкой температуры, полностью отрываясь от любого контакта с поверхностью твердого контейнера. Впоследствии исследователи использовали чрезвычайно слабые лазерные зонды и сверхчувствительные сверхпроводящие резонансные датчики для проведения беспрецедентного сверхточного мониторинга в реальном времени движения квантового вихря, микроскопической скорости распространения звуковых волн и энергии возбуждения квазичастиц внутри взвешенных капель.
Экспериментальные результаты впервые предоставляют чисто физические параметры сверхтекучей жидкости без взаимодействия на поверхности контейнера, подтверждая многие передовые предсказания о беспрепятственном потоке и макроскопической квантовой когерентности в квантовой теории многих тел. Исследовательская группа отметила, что это измерение не только имеет решающее значение для улучшения базовой физической теории, но и обнаруженный им микроскопический механизм потока также обеспечит ключевую поддержку данных для следующего поколения сверхчувствительных квантовых гироскопов, архитектуры охлаждения сверхпроводящих квантовых вычислительных устройств и моделирования сверхтекучей ядерной материи внутри нейтронных звезд в астрофизике.
Комментарии