Супержидкость (сверхтекучая жидкость), состоящая из охлажденных атомов гелия-4, является веществом с массой захватывающих свойств, некоторые из которых бросают вызов законам нормальной физики. Жидкий гелий-4 просачивается сквозь стекло, ее не может долго удерживать даже самый герметичный контейнер, она, эта супержидкость, может даже течь вверх по вертикальным поверхностям.

Ко всем странностям сверхтекучего гелия-4 можно добавить теоретически обоснованную в 1941 году возможность существования в нем экзотических квазичастиц, получивших название ротон (roton). И после многолетних попыток обнаружения этих квазичастиц исследователям из Калифорнийского университета удалось искусственно создать и зарегистрировать ротоны в супержидкости, состоящей не из молекул гелия-4, а из сверхохлажденных атомов цезия-133.

На необычные свойства супержидкости гелия-4 пристальное внимание ученых было обращено в 1937 году. В те времена исследования в этой области проводились группой академика Петра Капицы в Москве, группой Джона Ф. Аллена и Дональда Мизенера из университета Торонто, а в 1941 году, будущий лауреат Нобелевской премии Лев Ландау подвел обоснование из теории квантовой механики под открытие, сделанное Капицей.

Согласно теории Ландау свойство сверхтекучести гелию-4 придает некая единица коллективного вихреобразного движения атомов, которую можно рассматривать как единую квазичастицу, которая получила название ротон.

За многие десятилетия, прошедшие с момента теоретического обоснования возможности существования ротона, многие ученые, включая непосредственно Ландау, Ричарда Фейнмана и Филиппа Нозьера, разрабатывали различные варианты теоретической модели ротона, не имея возможности наблюдать его «вживую».

«И даже в настоящее время, по прошествии семи десятилетий, ротон остается источником загадок и противоречий» – рассказывает Ченг Чин (Cheng Chin), профессор физики из Калифорнийского университета.

Рис. 1.

Пытаясь создать искусственный ротон для того, чтобы найти подтверждения существующих теорий, исследователи из Чикагского университета охладили цилиндрическую камеру до температуры в 15 наноКельвинов, т.е. к температуре, немного превышающей температуру абсолютного нуля.

В этой камере была создана оптическая решетка из «переплетенных» лучей инфракрасных лазеров, в узлах которой находилось около 30 тысяч атомов цезия-133. И после этого ученые мягко «встряхнули» все атомы цезия.

«Нам потребовалось около 10 секунд, чтобы атомы цезия охладились до необходимой температуры, превратившись в сверхтекучую супержидкость» – рассказывает профессор Чин, – «А затем мы использовали совершенно новую идею, мы встряхнули всю оптическую решетку, что привело к появлению ротонов в жидкости».

Спустя несколько недель после открытия чикагских ученых, создать искусственные ротоны удалось и группе исследователей из Вашингтонского университета и Шанхайского университета науки и техники.

Но в последнем случае ротоны были созданы несколько другим методом, ученые использовали лучи дополнительных лазеров, которые «взбаламутили» супержидкость сверхохлажденных атомов цезия.

В обоих случаях ученые судили о факте возникновения ротонов по особенностям спектра возбуждения атомов супержидкости. Анализ спектра позволил измерить энергетические показатели ротонов, а исследования того, как существование ротонов затрагивает свойства сверхтекучести жидкости проводились при помощи луча лазера с определенными характеристиками, который просвечивал образец атомарной супержидкости.

Пока еще ученые не знают,

к каким последствиям может привести сделанное ими открытие, кроме как подтвердить некоторые из существовавших ранее теорий. Одно из применений новых знаний может находиться в сфере сверхпроводников, где некоторые аспекты поведения сверхпроводящих материалов перекликаются с аналогичными аспектами поведения сверхтекучих жидкостей.