Физики поймали звук, движущийся с двумя разными скоростями в трехмерном квантовом газе

Изучив ранее явление двух звуковых волн в квантовых жидкостях, ученые теперь наблюдали звук, движущийся с двумя разными скоростями в квантовом газе.

Если бы вы каким-то образом погрузились в трехмерный газ, использованный для этого исследования, вы бы услышали каждый звук дважды: каждый отдельный звук переносится двумя разными звуковыми волнами, движущимися с двумя разными скоростями.

Это важное достижение в области сверхтекучести — жидкостей без вязкости, которые могут течь без потери энергии.

Примечательно, что наблюдаемое в газе поведение плотности и скорости совпадает с параметрами, заданными двухжидкостной моделью Ландау — теорией, разработанной для сверхтекучего гелия в 1940-х годах. В значительной степени, похоже, что когда речь идет о квантовых установках газа, действуют те же правила.

"Эти наблюдения демонстрируют все ключевые особенности теории двух флюидов для сильно сжимаемого газа", — пишут исследователи в опубликованной работе.

Мы бы посоветовали не пытаться делать это дома, но сомневаемся, что у вас получится: в этом эксперименте ученые охладили газ с атомами калия менее чем на миллионную долю градуса выше абсолютного нуля, заключив атомы в вакуумную камеру.

В результате частично образовался так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна, в котором так мало энергии, что атомы почти не движутся и не взаимодействуют. Затем взаимодействие было искусственно увеличено, так что газ стал гидродинамическим — другими словами, больше похожим на жидкость.

Но поскольку конденсат Бозе-Эйнштейна все еще сохранял высокую сжимаемость — такую же, как воздух, — он по-прежнему оставался газом. Вместо двух жидкостей с незначительно различающимися свойствами, установка создала конденсированный и неконденсированный газ в одном, способный передавать две скорости звука.

"Мы наблюдали первый и второй звук в трехмерном ультрахолодном бозе-газе, который достаточно сильно взаимодействует, чтобы быть гидродинамическим, но при этом остается сильно сжимаемым", — пишут исследователи.

"Мы обнаружили, что двухжидкостная теория Ландау отражает все существенные особенности этой системы, причем первый и второй звуковой режим, соответственно, преимущественно характеризуются колебаниями нормальной и сверхтекучей компонент".

Жидкости и газы становятся квантовыми, когда они начинают проявлять квантово-механические свойства — они начинают подчиняться другому набору законов по сравнению с теми, которые управляют классической физикой Вселенной.

В данном случае квантовая природа газа объясняет пару звуков — один типичная волна сжатых частиц, другой — колебания тепла, которые ведут себя как частицы. 

Все это дает нам знания о квантовой гидродинамике, по сути, изучающей жидкости в этом квантовом состоянии.

В квантовой сфере трудно разобраться, и такие открытия, как это, будут полезны для будущих исследований и наблюдений. 

Как это часто бывает, это заметное открытие — впервые показано, что звук движется с двумя разными скоростями в квантовом газе — послужит трамплином для других видов исследований и экспериментов в ближайшие годы.

"Экспериментальный доступ к микроскопическим и гидродинамическим свойствам открывает прекрасную возможность для дальнейших исследований бозе-жидкостей. В частности, было бы интересно изучить более низкие температуры", — пишут исследователи. 

Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters.