Физики впервые наблюдали странную ультраквантовую турбулентность
Физики впервые напрямую наблюдали турбулентность Винена, которая возможна только в квантовом мире (ее еще называют ультраквантовой). Результаты эксперимента, проводившегося в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, обнародованы журналом Physical Review Letters.
С турбулентностью мы сталкиваемся ежедневно, мешая чай в чашке, например, или сливая воду из ванны. Квантовые жидкости и газы также подвержены турбулентности — но проявляется она совершенно иначе. Будучи возмущенными и приведенными в состояние турбулентности, они в основном остаются неподвижными, но покрываются тонкими запутанными вихрями, похожими на нити, прежде чем успокоиться и прийти к равновесию.
Чтобы получить эту ультраквантовую турбулентность, кембриджские ученые охладили атомы калия почти до абсолютного нуля — и они стали вести себя как очень разреженный квантовый газ. С помощью лазера атомы загнали в форму цилиндра размером в несколько десятков микрометров. Управляя взаимодействиями атомов друг с другом и их энергиями, экспериментаторы вызвали возмущение, которое породило турбулентность и вихри.
Если бы они снимали весь цилиндр целиком, клубки вихрей остались бы незаметными, поэтому ученые использовали световой лист лазера, чтобы изолировать и запечатлеть лишь один срез цилиндра.
«Как только я получил первые снимки, я понял — вот оно! Видно эти дыры — отпечатки вихревых линий, которые входят в изображенный поперечный срез и выходят из него», — говорит ведущий автор работы Себастьян Моррис.
Универсальное поведение
Исследователи сделали множество снимков и изучили распределение вихрей по мере того, как те запутывались, распадались, соединялись в кольца или перемещались к краю цилиндра, проследив, как квантовая жидкость становилась все менее турбулентной и упорядоченной. Любопытно, что этот процесс оказался очень похож на то, что ранее наблюдали в жидком гелии — тоже квантовой жидкости, но плотнее и с более сильным взаимодействием между атомами.
«Способ, которым формируется порядок, у этих двух систем схож, а все остальное — нет», — уточняет соавтор статьи Кристоф Айген из Кембриджского университета.
Это иллюстрирует универсальное поведение целого класса квантовых систем, которое должно проявляться и в других, еще более несхожих условиях, добавляет Зоран Хаджибабич, также из Кембриджа, работавший над экспериментом.
Математические модели ультраквантовой турбулентности (уравнения профессора Джо Винена) существуют уже десятилетия, но вихри обычно очень трудно визуализировать, особенно в трехмерном скоплении атомов, подчеркивает физик-теоретик Томас Газенцер из Гейдельбергского университета. По его словам, новая работа подкрепляет эти модели точными и убедительными экспериментальными данными.
Зачем это нужно
В силу универсальности процесса будущие эксперименты могли бы также раскрыть особенности ультраквантовой турбулентности далеко за пределами лаборатории, надеется Газенцер.
«Предполагается, что подобная динамика [турбулентности] происходит, например, в гало темной материи нейтронной звезды, так что, возможно, стоит подумать о наблюдаемых величинах, которые можно было бы сравнить между этими двумя случаями», — заметил он.
