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.
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.