В 1941 году появился будущий лауреат Нобелевской премии Лев Ландау, предсказавший, что сверхтекучий гелий-4 должен содержать экзотическое, похожее на частицу возбуждение, называемое ротоном. Но ученые, включая Ландау, лауреата Нобелевской премии Ричарда Фейнмана и лауреата премии Вольфа Филиппа Нозьера, с тех пор обсуждали, какую структуру примет ротон.«Даже в наши дни, по прошествии семи десятилетий, этот вопрос вызывает интерес и вызывает споры», — сказал Ченг Чин, профессор физики Чикагского университета. Но в новой статье, опубликованной 3 февраля 2015 года в Physical Review Letters, Чин и четыре сотрудника описывают, как они могут создать ротонную структуру в новой системе: атомной сверхтекучей среде цезия-133 в лаборатории.
Ученые, специализирующиеся на сверхтекучих жидкостях, столкнулись с трудностями при изучении ротонов. Команда Чина разработала систему, которая значительно упростит раскрытие скрытых тайн ротона.
Исследователи из Калифорнийского университета в Чикаго создали искусственные ротоны, используя то, что они называют техникой встряхиваемой решетки. С помощью этой техники физики создали сверхтекучую жидкость в цилиндрической камере высотой один фут, охлаждаемой до температуры примерно 15 нанокельвинов, что составляет лишь крошечную долю градуса выше абсолютного нуля (минус 459,6 градуса по Фаренгейту).Во время эксперимента 30 000 атомов цезия оказались захваченными схемой пересечения инфракрасных лазерных лучей. Эта оптическая решетка удерживает атомы прочно, как яйца в ящике, при этом осторожно их встряхивает.
Сверхтекучесть за 10 секунд«Нам нужно около 10 секунд, чтобы достичь этой температуры, чтобы приготовить сверхтекучую жидкость в качестве первого шага», — сказал Чин. «Совершенно новая идея заключается в том, что встряхивание оптической решетки приводит к появлению ротонов».Сверхтекучая жидкость сохраняется в течение нескольких секунд, в течение которых физики создают ротонную структуру и визуализируют ее, чтобы увидеть, как эта структура влияет на свойства сверхтекучей жидкости.
Конкурирующие группы исследователей из Университета науки и технологий в Шанхае, Китай, и Университета штата Вашингтон также преуспели в создании ротонной структуры с использованием другой техники в течение нескольких недель после того, как группа из Чикаго объявила о результатах прошлым летом. Эти команды использовали дополнительные лазерные лучи для правильного возбуждения атомов.
«Мы подошли к задаче создания ротонов на основе новой технологии, которую мы недавно разработали», — сказал Ли-Чунг Ха, аспирант по физике в Калифорнийском университете в Чикаго. Ведущий автор статьи Physical Review Letters, Ха сыграл ключевую роль в разработке методов визуализации встряхиваемой решетки и in-situ, используемых для сбора ротонных данных.Исследовательская группа Чина в течение многих лет разрабатывала технику встряхивания решетки.
В 2013 году Ха, Чин и научный сотрудник Калифорнийского университета в Чикаго Колин В. Паркер опубликовали статью в журнале Nature Physics, показывающую, что вариация этого метода может выявить интересные магнитные особенности в ультрахолодных атомах. Позже они поняли, что могут использовать ту же технику для создания ротонной структуры.Инженерное ротонное возбуждение«С помощью этой техники мы можем создать спектр возбуждения атомов», — сказал Ха. Эта особенность, отличительная черта сверхтекучего гелия, является одним из трех свидетельств, приведенных в статье, указывающих на то, что Ха и его сотрудники успешно создали ротонную структуру.
Две другие линии доказательств включают измерения энергии ротона, подтверждающие, что ее проявление зависит от взаимодействия атомов. Команда из Калифорнийского университета в Чикаго также наблюдала, как ротонные возбуждения влияют на сверхтекучесть, перетаскивая лазерный спекл-паттерн по сверхтекучей жидкости.«Экспериментально мы видим, что сверхтекучая жидкость становится слабее в присутствии ротонной структуры», — сказал Чин. Сверхтекучая жидкость может течь без трения до максимальной скорости, называемой «критической скоростью сверхтекучей жидкости».
Ротоны подавляют критическую скорость, что противоположно желаемой цели по повышению устойчивости сверхтекучести.Насколько устойчивой может быть сверхтекучесть?
По словам Чина, исследователи предложили много способов повысить надежность сверхпроводников, а атомные сверхтекучие жидкости предлагают экспериментальные средства для проверки этих идей.«Сверхпроводники могут передавать энергию без рассеяния, то есть без потерь энергии, поэтому прочный сверхпроводящий материал может найти повсюду повсеместное применение», — сказал он. В настоящее время энергетические компании по-прежнему используют медные провода для передачи энергии, что приводит к потерям энергии от 30 до 40 процентов от электростанции к дому или офису.
Переход на сверхпроводимость в настоящее время нецелесообразен, поскольку сверхпроводящий материал дорог и работает только при крайне низких температурах. Что еще более важно, отметил Чин, «единственный сверхпроводящий провод может переносить только ограниченное количество энергии».
«Наши эксперименты предоставляют новую платформу для изучения возбуждений сверхтекучей жидкости. Они могут помочь нам лучше определить ключевые проблемы, ограничивающие устойчивость сверхпроводимости», — сказал он.