Ученые из Каталонии "вырастили" капли квантовой жидкости, которые обладают необычными свойствами и имеют рекордно низкую плотность, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.
"Наши калиевые капли во многом похожи на обычные капли воды – они обладают вполне определенными размерами, формой и массой, вне зависимости от того, куда бы мы их не поместили. С другой стороны, они существуют только при сверхнизких температурах и имеют квантовую природу",
— рассказывает Цезарь Кабрера (Cesar Cabrera) из Института науки и технологий Барселоны.
Как отмечает физик, эта квантовая жидкость обладает рекордно высокой разреженностью – она содержит в себе минимальное число атомов, необходимое для того, чтобы ее капли не теряли свою форму и не превращались в газ. Иными словами, все ее частицы связаны друг с другом и характер их движения по пространству зависит от того, где и как расположены их "соседи".
Кабрера и его коллеги создали эту необычную субстанцию, пытаясь ответить на простой вопрос — как ведут себя газы и жидкости при сверхнизких температурах, и где находится та точка, когда плотный газ превращается в жидкость, а разреженная жидкость – в газ.
Для ответа на этот вопрос физики создали третью субстанцию – так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна, охладив облако атомов калия-39 до температуры, близкой к абсолютному нулю. Он представляет собой необычную по своим свойствам форму материи, похожую одновременно и на газ, и на жидкость, которая ведет себя как один гигантский атом и обладает типичными "атомными" свойствами.
[Чип, запущенный немецкими учеными в космос]
© Фото : MAIUS project team/J. Matthias
Немецкие ученые создали первый искусственный атом в космосе
В "нормальном" состоянии конденсат Бозе-Эйштейна, как рассказывает Кабрера, ведет себя в большей степени как газообразная субстанция – он расширяется и стремится заполнить собой весь сосуд, где он находится. Как показали опыты испанских исследователей, столкновение двух подобных облаков газа приводит к крайне интересному последствию – на их месте возникает группа из нескольких мельчайших капель квантовой жидкости.
Атомы в ее каплях распределены так, что их отделяет максимальное расстояние, но при этом квантовые связи между никуда не пропадают. Благодаря этим связям капли квантовой жидкости из смеси конденсатов Бозе-Эйнштейна сохраняют форму и не превращаются в газ.
"Эти капли являются удивительными объектами макромира — несмотря на то, что они состоят из тысяч атомов, их поведение полностью задается квантовыми флуктуациями и корреляциями",
— добавляет Летиция Тарруэлл (Leticia Tarruell), коллега Кабреры.
Эта жидкость обладает максимально низкой плотностью – она примерно в сто миллионов раз более разреженная, чем обычная вода, и примерно в миллион раз уступает по этому показателю обычному воздуху, а также обладает еще одним необычным свойством. Ее атомы постоянно движутся даже при околонулевых температурах, подчиняясь принципу неопределенности Гейзенберга и другим законам квантовой механики.
Как рассказывают ученые, столь высокая степень разреженности квантовой жидкости была сюрпризом для них — теоретические расчеты показывали, что она должна была быть примерно в два раза более плотной, а размеры капель должны были быть почти в три раза меньше. Учитывая огромное число атомов в этих каплях, просчитать их поведение на квантовом уровне пока нельзя, что не позволяет дать однозначное объяснение этому необычному расхождению между теорией и экспериментом.
По этой причине их свойства и секреты, по словам физиков, можно будет раскрыть, наблюдая за формированием и взаимодействием этих капель в реальном мире. Эти опыты могут помочь физикам не только найти объяснение их странным размерам и плотности, но и раскрыть принципы, которые управляют взаимодействиями десятков и сотен квантовых объектов друг с другом, к примеру, в жидком гелии или в недрах нейтронных звезд.