Камера, которая снимает холод экспресс
При температуре 0,1 К — это на три десятых градуса выше абсолютного нуля — вещество перестаёт подчиняться привычным правилам. Гелий становится сверхтекучим: он течёт без трения, просачивается сквозь щели и ведёт себя как одна гигантская квантовая жидкость. Увидеть, что происходит внутри такого холода, — задача на грани возможного.
Учёные построили установку, которая решает её напрямую. Внутри криостата — это такой термос для экстремального холода — находится вращающаяся платформа с камерой. Свет от лазеров идёт по оптоволокну, а изображение передаётся через жгут из ста тысяч световодов. Разрешение — около 30 микрометров, то есть можно разглядеть детали размером с тонкий человеческий волос.
В одном из опытов в жидкий гелий запускали светящиеся частицы — от 1 до 6 микрометров в диаметре. Их выстреливали с поверхности пьезокристалла короткими колебаниями на частоте миллион раз в секунду. Камера снимала траектории частиц со скоростью до 990 кадров в секунду.
Такая съёмка позволяет увидеть, как квантовые вихри — крошечные закрученные течения — взаимодействуют с частицами. Это похоже на то, как если бы в идеально спокойной воде вдруг появлялись невидимые воронки, увлекающие за собой всё вокруг. Раньше эти процессы изучали косвенно, а теперь их можно наблюдать в прямом эфире.
Установка открывает дорогу к изучению квантовой турбулентности — одной из самых загадочных областей физики. Понимание того, как энергия переходит от больших вихрей к малым в сверхтекучей среде, может пролить свет на процессы в нейтронных звёздах и даже на раннюю Вселенную.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2602.21279
We describe a versatile apparatus for optical observations of experimental processes at temperatures down to 0.1 K. The cooling is achieved by a wet cryostat with a dilution refrigerator on a vibrationally-isolated platform, capable of continuous rotation at angular velocity of up to 3 rad/s. The illumination light beam from lasers on a non-rotating optical table at room temperature is introduced via an optical fiber. The images are transferred to the intensified camera at room temperature through a coherent bundle of $$10^5$$ optical fibers giving a spatial resolution of $$\sim 30 \mu$$m, depending on the magnification used. The adjustment of the position of the illumination light, as well as of the focusing of the camera on the object under investigation, can be controlled remotely with the help of piezoelectric positioners. The apparatus was used for visualization of particles dispersed in superfluid helium at temperatures down to 0.14 K. In one version of experiment, fluorescent light from clouds of excimer molecules He$$_2^*$$, generated in liquid helium by electron impact from electrons injected by sharp field-emission tips, was recorded and analyzed. In another, fluorescent particles of diameters between 1 $$\mu$$m and 6 $$\mu$$m were initially loaded onto the horizontal surface of a piezoelectric crystal of LiNbO$$_3$$ and then injected into liquid helium by short bursts of high-amplitude oscillations at the crystal's resonant frequency 1 MHz. The particle trajectories were filmed at a frame rate of up to 990 fps and analyzed.
При температуре 0,1 К тепловое движение атомов почти полностью останавливается, и гелий становится настолько текучим, что может протекать через поры в стекле, которые не пропускают обычную воду.
В романе Грега Игана «Карантин» сверхтекучие жидкости используются для создания квантовых компьютеров, а наблюдение за вихрями в гелии напоминает попытки героев увидеть скрытые структуры реальности.