Ученые Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН провели уникальный эксперимент, позволивший подробно исследовать проявление квантовых эффектов в нашем макромире. Статья об этом опубликована в Nature Scientific Reports. Подвергнув лазерному излучению частицы сверхпроводящей керамики в магнитном поле в сверхтекучем гелии, физики наблюдали увеличение энергии движения частиц и образование новых сложных структур ― по сути, их эволюцию.
Подробнее об эксперименте и о том, какую роль во взаимодействии микро- и макромира играют квантовые вихри, рассказал директор ОИВТ РАН академик О.Ф. Петров.
Олег Федорович Петров ― академик, директор Объединенного института высоких температур РАН, доктор физико-математических наук, специалист в области экспериментального изучения низкотемпературной плазмы с коллоидными частицами (пылевой плазмы) и активных коллоидных систем в жидкостях и плазме. Автор более 400 научных работ, опубликованных в ведущих научных изданиях России и мира.
― Какими характеристиками должен обладать объект, чтобы у него можно было наблюдать квантовые свойства?
― Этот вопрос возникает всякий раз, когда мы говорим о наблюдении в физическом эксперименте. Мы изучаем окружающий нас мир в двух аспектах: первый ― мир, в котором мы с вами живем, чувствуем, воспринимаем, ощущаем, то есть мир макроскопических объектов и явлений, а второй ― квантовый мир, одно из важных свойств которого ― дискретность, или прерывистость: квантовый объект может иметь дискретные значения энергии, импульса и т.п. Как наблюдать квантовые явления в макроскопическом масштабе? Очень интересный и важный эксперимент в этой области был поставлен нашим соотечественником, нобелевским лауреатом П.Л. Капицей. Речь идет об эксперименте по наблюдению сверхтекучести в жидком гелии при температуре ниже 2,17 К (-271° C) ― так называемой лямбда-точки.
При таких низких температурах гелий становится квантовой жидкостью, обладающей уникальным свойством ― сверхтекучестью, то есть его вязкость устремляется к нулю. Это очень необычное свойство, которое в нормальной жидкости не наблюдается. Эксперимент П.Л. Капицы ― одно из первых наблюдений квантовых эффектов в макроскопическом масштабе.
В состоянии сверхтекучести гелий способен легко, без какого-либо трения, проникать через капилляры и узкие щели. Сверхтекучий гелий способен течь вверх по стенкам сосуда со скоростью до десятков см/с в виде тонкой пленки толщиной в десятки нанометров. Явление сверхтекучести в жидком гелии впервые наблюдал в 1938 г. П.Л. Капица. Источник фото: Vuerqex, Wikipedia.
― Сверхтекучесть встречается в природе или это явление можно наблюдать только в лаборатории?
― Это астрофизический вопрос, выходящий за рамки наших исследований. Однако недавно мы из любопытства и сами им задались и стали искать ответ в научной литературе. Оказалось, что в нашей Галактике есть так называемая Туманность Бумеранга, где температура может достигать около 1 К, или -272° C. Это интересно, учитывая, что вся Вселенная у нас несколько «горячее».
Таким образом, как минимум в одном месте нашей Вселенной существуют настолько низкие температуры, что состояние сверхтекучести там становится возможным.
Первые наблюдения сверхтекучего жидкого гелия, как известно, производились в лабораторных условиях. Туманность Бумеранга была открыта в конце 1970-х гг., а сверхтекучий гелий ― в конце 30-х гг. прошлого века. Для того чтобы достичь сверхтекучести, мы должны охладить вещество до экстремально низких температур ― в этом случае тепловое движение атомов и молекул становится минимальным и внутренняя упорядоченность, квантовые эффекты становятся наблюдаемыми. Да, мы знаем, что во Вселенной есть достаточно холодные места, но пока нет никаких подтверждений существования там жидкого гелия, поэтому лаборатория по-прежнему остается оптимальным местом для изучения явления сверхтекучести.
― Расскажите, пожалуйста, о недавнем эксперименте ОИВТ РАН, где вы впервые наблюдали проявление квантовых эффектов в движении активных частиц в сверхтекучем гелии.
― К этому эксперименту мы шли около десяти лет. В качестве материала использовались частицы высокотемпературной сверхпроводящей керамики с размерами около 40 мкм (толщина человеческого волоса). Эти частицы мы помещали в магнитное поле в сверхтекучем жидком гелии при температуре ниже 2 K (-271° C) и подвергали воздействию лазерного излучения. Частицы левитировали, удерживаясь внешним магнитным полем. Они находились в движении в объеме сверхтекучего жидкого гелия. Самым удивительным в этом эксперименте оказалось то, что, когда мощность лазерного нагрева возрастала, движение частиц становилось все более интенсивным, чего не должно быть в среде сверхтекучего жидкого гелия, где повышение температуры быстро исчезает за счет необычно высокой скорости теплопередачи и частицу трудно разогреть до более высокой температуры.
При нагреве роя частиц лазерным излучением мы наблюдали образование более сложных структур: частицы объединялись в цепочки длиной до миллиметра ― по сути, это эволюция структур, и отток тепла (энтропии), необходимый для такой эволюции, связан с аномально высокой скоростью его переноса в сверхтекучем гелии. При увеличении интенсивности лазерного излучения наблюдалось и увеличение скорости эволюции: скорости движения частиц и образования из них новых цепочек.
На фото ― рой частиц сверхпроводящей керамики, левитирующих в магнитном поле в сверхтекучем гелии. Ученые ОИВТ РАН наблюдали увеличение энергии движения частиц и ускорение их диффузии в миллионы раз в сравнении с тем, что дает классическая формула Эйнштейна для броуновского движения в сверхтекучем гелии. Работа была выполнена при поддержке Российского научного фонда. Статья «Экспериментальная эволюция активных броуновских частиц, инициированная квантовыми эффектами в сверхтекучем гелии» опубликована в журнале Nature Scientific Reports. Автор фото: Елена Либрик, «Научная Россия».
― Если сверхтекучий жидкий гелий ― это квантовая среда, то помещенные в нее частицы тоже становятся квантовыми?
Справка. Броуновское движение ― беспорядочное движение малых (размером в несколько микрометров и менее) частиц, взвешенных в жидкости или газе. Источник: Большая российская энциклопедия.
― Нет, сами броуновские частицы не становятся квантовыми, они слишком большие. Когда мы говорим о квантовых явлениях, то подразумеваем такую область масштаба, где можно наблюдать дискретность. В этом случае мы не можем видеть квантовый объект, но способны наблюдать, как он действует на макроскопический объект (частицы сверхпроводящей керамики), что и было показано в нашем эксперименте.
― Что в таком случае выступает тем самым квантовым объектом, влияющим на движение частиц, которое мы можем наблюдать невооруженным глазом?
― Это квантовые вихри. Их возникновение связано с квантовой природой гелия, а их концентрация ― с воздействием лазерного излучения на поверхность частиц, степень нагрева этой поверхности. Оказывается, чем интенсивнее излучение лазера, тем больше квантовых вихрей возникает: концентрация вихрей нарастает, движение частиц становится более интенсивным. Эти квантовые вихри можно рассматривать как упругие нити: они стремятся сократить свою длину. Каждый квантовый вихрь, начинаясь на частице, заканчивается либо на ней же, либо на границе раздела гелия с окружающей средой. Частица оказывается полностью окутанной такими упругими нитями. В результате возникают спонтанное нарушение симметрии и нескомпенсированная сила, потому что вихрей в одной части частицы может оказаться больше, чем в другой. Именно из-за такого воздействия частицы получают нескомпенсированный толчок и начинают двигаться.
― Основа таких квантовых вихрей ― это гелий?
― Да. В качестве основы, или субстрата, выступает гелий. При этом сердцевина квантовых вихрей, согласно сегодняшнем представлениям, считается пустотелой ― то есть гелия там нет.
Поток квантовой жидкости может создавать зону, в которой частицы постоянно вращаются вокруг некоторой точки. Характерный признак квантового вихря — наличие фазовой дислокации в ядре вихря. Источник справки: Сколтех. Источник иллюстрации: фотобанк 123RF.
― Это довольно сложно вообразить.
― Представьте, что квантовый вихрь ― это пустотелая нить. И вокруг такой пустотелой сердцевины вращается сверхтекучий гелий в квантовом вихре. Скорость атомов гелия, движущихся вокруг сердцевины, меняется от десятков метров в секунду вблизи сердцевины вихря и может падать до микрометров в секунду на периферии вихря. Почему его называют квантовым? Дело в том, что квантовый объект, как я уже говорил, обладает свойством дискретности. Если сверхтекучий компонент сильно закрутить и попытаться создать в нем какие-то завихрения, то циркуляция скорости такого вращения будет принимать только дискретные значения, возникает квантовый вихрь.
Если привести аналогию из природы, квантовый вихрь похож на смерч. Такие вихри ― закономерное следствие квантовой природы сверхтекучего жидкого гелия. Косвенными методами их проявление можно наблюдать в лабораторных условиях, но размеры этих объектов очень маленькие ― диаметр сердцевины подобного вихря составляет около ангстрема, что сопоставимо с размерами атома.
Видеокадр левитирующего в сверхтекучем гелии облака сверхпроводящих керамических частиц, уносимых восходящим конвективным потоком из зоны перегрева. Направление движения частиц показано стрелками. Облако освещается слева лазерным излучением. Источник фото: Scientific Reports, из статьи ученых ОИВТ РАН «Экспериментальная эволюция активных броуновских частиц, инициированная квантовыми эффектами в сверхтекучем гелии».
― Вихрь ― квантовый, а сами частицы в то же время как были классическими, так ими и остаются?
― Да, это так, в силу своих больших размеров. Тем не менее движение частиц, которое мы наблюдаем, уже становится проявлением квантовых эффектов. Если бы мы поместили те же самые частицы при таких же температурах в нормальную, классическую жидкость, то они бы оставались почти неподвижными. Мы практически не могли бы наблюдать никакого движения, потому что температура среды настолько низкая, что броуновское движение частиц было бы очень маленьким.
― Тогда, согласно квантовой механике, у описанных вами вихрей нет какой-то выделенной траектории, а есть только вероятность нахождения где-либо?
― Да. И эти квантовые объекты на самом деле могут иметь большое значение для нашего макромира. Думаю, многие знакомы с книгой одного из основоположников квантовой механики Эрвина Шредингера «Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки», где он попытался ответить на вопрос: можно ли описать сложный живой объект, опираясь на термодинамику? Ведь при таком описании, казалось бы, мы сталкиваемся с нарушением второго начала термодинамики, представляющего собой закон об энтропии, или о мере беспорядка: когда изолированная система переходит из одного состояния в другое, она, по идее, должна двигаться в сторону разупорядоченности, увеличения энтропии, но на деле мы видим обратное для живых систем, и в процессе эволюции энтропия, наоборот, уменьшается. Исходя из этого, Эрвин Шредингер заключил, что живой системе удается избавиться от той энтропии, которая возникает в процессе ее функционирования. Шредингер также предложил объяснение, связанное с ролью квантовых эффектов и их масштабов. Квантовый мир ― это дискретный и вероятностный мир: если бы мы были квантовыми объектами, то не смогли бы сделать ничего наверняка, а могли бы только с определенной долей вероятности.
Термодинамика ― раздел физики, описывающий наиболее общие свойства (в том числе тепловые) макроскопических систем, находящихся в термодинамическом (тепловом) контакте с окружающей средой. Источник: Большая российская энциклопедия. Источник иллюстрации: фотобанк 123RF.
Если вернуться к нашим броуновским частицам, то оказывается, что это макроскопический объект, движение которого связано с образованием квантовых вихрей. Наш эксперимент наталкивает на мысль о том, что драйвером эволюции в макромире могли быть именно квантовые эффекты.
Возникнув однажды, квантовые вихри способны усложняться и развиваться. Когда таких вихрей становится много, они переплетаются, и это называется клубком вихрей, или квантовой турбулентностью. Такой клубок усложняется, запуская при этом эволюцию объектов, которые мы знаем как макроскопические, то есть объекты больших размеров.
― Интересно! И этой эволюцией, как вы предполагаете, можно управлять?
― Да. Наш эксперимент показал возможность управления эволюцией роя частиц в сверхтекучем жидком гелии, что позволяет нам подойти к решению таких фундаментальных задач, как изучение процессов возникновения, развития и эволюции сложных макроскопических объектов живой и неживой природы, а также к поиску общих физических закономерностей и механизмов эволюции, включая роль квантовых эффектов.
Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.
Беседовала Янина Хужина
Фотограф Елена Либрик
