Няма ограничение на скоростта в свръх-течна вселена

В студената, плътна среда на свръх-течен хелий-3, учените наскоро направиха неочаквано откритие. Чужд обект, пътуващ през средата, може да превиши критична граница на скоростта, без да наруши самата крехка свръх-течност.

Тъй като това противоречи на нашето разбиране за свръх-течност, то предизвиква доста голямо объркване, но сега, пресъздавайки и изучавайки явлението, физиците са разбрали как се случва.

Частиците в свръх-течността се придържат към обекта, предпазвайки го от взаимодействие с общата свръх-течност, като по този начин предотвратяват разпадането й.

„Свръх-течният хелий-3 се чувства като вакуум за обект, който се движи през него, въпреки че е относително плътна среда. Няма никакво съпротивление, никакво“, казва физикът Самули Аути от университета в Ланкастър, Великобритания. „Намирам това за много интригуващо.“

Супер-флуидите са вид течност, която има нулев вискозитет и нулево триене и следователно тече, без да губи кинетична енергия. Те могат да бъдат направени относително лесно от бозони на изотопа на хелий-4, които, когато се охладят до малко над абсолютната нула, забавят достатъчно, за да се припокрият и образуват клъстер на атоми с висока плътност, които действат като един „супер-атом“.

Тези „супер-атоми“ обаче образуват само един вид свръх-течност. Друг се основава на братята и сестрите на бозона,- фермиона. Фермионите са частици, които включват атомни градивни елементи като електрони и кварки.

Когато се охладят под определена температура, фермионите се свързват помежду си в така наречените двойки на Купър, всяка от които се състои от два фермиона, които заедно образуват съставен бозон. Тези двойки на Купър се държат точно като бозони и по този начин могат да образуват свръх-течност.

Екипът създаде своята фермионна свръх-течност от хелий-3, рядък изотоп на хелий, при който липсва един неутрон. Когато се охлади до една десет хилядна градуса над абсолютната нула (0,0001 Келвин, или -273,15 градуса по Целзий / -459,67 градуса по Фаренхайт), хелий-3 образува двойки на Купър.

Тези свръх-течности са доста крехки и двойките Купър могат да се разпаднат, ако обект се движи през тях над определена скорост, наречена критична скорост на Ландау.

И все пак, в доклад от 2016 г. изследователи от университета в Ланкастър установиха, че телена пръчка, движеща се през свръх-течност хелий-3, може да надвиши тази скорост, без да счупи двойките.

В своите последващи експерименти те измерват силата, необходима за преместване на телената пръчка през свръх-течността. Те измериха изключително малка сила, когато жицата започва да се движи, но след като тя вече се движи, силата, необходима за продължаване на движението, е нула – просто я натиснете и тя изчезва.

Екипът стигна до заключението, че първоначалната сила идва от двойките Купър, които се движат малко, за да приспособят движението, упражнявайки тази малка начална сила върху телената пръчка. Но след това жицата може да се движи свободно, по същество замаскирана в „палто“ от двойки Купър.

„Като накарахме пръчката да промени посоката си на движение, успяхме да заключим, че пръчката ще бъде скрита от свръх-течността от обвързаните частици, които я покриват, дори когато скоростта й е много висока“, казва физикът Аш Дженингс от университета в Ланкастър.

Това ново откритие може да има някои интересни последици.
Фермионните свръх-течности могат да се използват за създаване на свръхпроводници, които от своя страна се разследват като критичен компонент на квантовите компютри. Знаейки повече за това как и защо свръх – течностите се държат така, ще ни доближи до тази цел, вярват учените.

Изследването е публикувано в Nature Communications