Физики из Франции и Великобритании исследовали затухание колебаний в сверхтекучем гелии-4 с помощью наномеханического резонатора. В результате ученые обнаружили три режима затухания, которые доминируют в разных диапазонах температур, — гидродинамический, баллистический и акустический режим.

Ухватить все три механизма с помощью одного инструмента до сих пор не удавалось. В будущем с помощью подобного прибора ученые планируют разглядеть «внутреннюю структуру» жидкого гелия, недоступную для обычных измерений. Статья опубликована в Physical Review B, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Чем ниже температура жидкости, тем больше ее частиц переходят в состояния с одинаковыми энергиями, а потому их квантовые свойства проявляются все сильнее и сильнее. При достаточно низкой температуре такие эффекты начинают доминировать и «классическая» жидкость превращается в квантовую (либо замерзает и превращается в обычное твердое тело). Самые известные примеры квантовых жидкостей — это жидкий гелий-4 и гелий-3; в первом квантовые эффекты проявляются при температуре ниже 2,17 кельвина, во втором — при температуре ниже 2,6 милликельвина.

К сожалению, обе квантовые жидкости до сих пор изучены недостаточно хорошо. Конечно, существуют теории, объясняющие свойства этих жидкостей с помощью квазичастиц — фононов и ротонов; более того, за эти теории вручены Нобелевские премии 1962 и 2003 года. Квазичастицы — это низкотемпературные возбуждения над спокойной средой, которые обладают теми же характеристиками, что и обычные частицы. Теории с квазичастицами хорошо объясняют свойства квантовых жидкостей на масштабах, сильно превосходящих длину волны де Бройля квазичастиц. Однако на меньших масштабах такие теории по понятным причинам «ломаются», и физикам приходится придумывать что-то новое.

Чтобы экспериментально исследовать свойства квантовых жидкостей на таких мелких масштабах, физики предлагают использовать наноэлектромеханические системы (NEMS) — миниатюрные устройства размером в несколько сотен нанометров, которые возбуждают колебания жидкости и измеряют ее отклик. Если характерный размер такого резонатора совпадет с длиной волны де Бройля квазичастиц, то он будет взаимодействовать с квазичастицами по отдельности, а если уменьшить его еще сильнее, то он сможет разглядеть «внутреннюю структуру» квантовой жидкости.

Однако первые эксперименты с NEMS и квантовыми жидкостями были проведены всего несколько лет назад. Например, в 2017 году группа ученых под руководством Энтони Гено (Antony Guénault) впервые использовала нанорезонаторы, чтобы измерить гидродинамические свойства жидкого гелия-4 при температуре выше одного кельвина.

В новой работе исследователи продолжили развивать этот подход, применяя его к сильно охлажденному гелию-4, в котором квантовые свойства проявляются гораздо сильнее.