Сверхтекучему гелию сделали МРТ

Ученые исследовали сверхтекучий гелий-3 при помощи технологии магнитно-резонансной томографии, которая используется для того, чтобы получать изображения внутренних органов, например, мозга. В результате удалось подтвердить идею, что при переходе в квантовую фазу в этом веществе образуются области с различными свойствами. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Существует два основных изотопа гелия — с атомными массами три и четыре. Более тяжелое ядро, гелий-4, — это бозон, то есть частица с целым спином. Квантовая система таких тел описывается статистикой Бозе — Эйнштейна и способна формировать особую фазу материи — конденсат Бозе — Эйнштейна. В таком веществе все частицы находятся в одном квантовом состоянии, то есть они проявляют согласованные свойства даже на макроскопических масштабах. Примеры такого конденсата — сверхтекучая жидкость с нулевой вязкостью и совокупность электронных пар в сверхпроводнике, обеспечивающая ток без сопротивления. Гелий-4 был сжижен в начале XX века, а сверхтекучесть в нем открыл Петр Капица в 1938 году.

Гелий-3 — фермион, он подчиняется статистике Ферми — Дирака, но тоже формирует сверхтекучую фазу, подобно тому как другие фермионы — электроны — могут объединяться в пары (которые уже являются бозонами) и образовывать конденсат, благодаря которому появляется сверхпроводимость. Однако для конденсации гелия-3 нужна температура в 1000 раз меньше (2,17 кельвина для гелия-4 против 2,6 милликельвина для гелия-3) и повышенное давление. Впервые он был сжижен в 1948 году, а сверхтекучесть обнаружена лишь в 1972. Данные, которые физики получили в экспериментах с этим состоянием, позволили предположить, что внутри потока существуют домены с разными свойствами. В каждой такой области должны находиться частицы с общим угловым моментом, что придает всему домену хиральные свойства, то есть разные домены становятся зеркальными отражениями друг друга. Этот феномен — прямое следствие того, что эту квантовую фазу материи объясняет общая волновая функция. Тем не менее, ученым не удавалось напрямую зафиксировать эти домены. В новой работе японского коллектива под руководством Ютака Сасаки из Киотского университета это было впервые сделано.

Открытие было сделано при помощи модифицированной технологии магнитно-резонансной томографии, которая больше всего известна как медицинская техника визуализации внутренних органов. В экспериментах группа Сасаки использовала тонкие пленки из гелия-3 при температуре 2 милликельвина. Оказалось, что в образце присутствуют домены миллиметрового размера, разделенные параллельными стенками. Положение доменов отличалось в каждом эксперименте с охлаждением, что говорит о том, что они возникают спонтанно при переходе в квантовую фазу. Этим такие домены отличаются от известных доменов в других материалах, образование которых обычно обусловлено присутствием примесей или внешними условиями. Достижение позволит не только улучшить теоретическое описание сверхтекучести в гелии-3, но и лучше понять другие связанные квантовые фазы материи, в том числе некоторые формы сверхпроводимости.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.