Камень падает в пруд — и по воде расходятся круги. Но если камень очень мал, а вода не совсем обычна, круги проходят сквозь него, даже не заметив. Примерно так ведут себя звуковые колебания в сверхтекучем гелии: при крайне низких энергиях они просачиваются через препятствия, словно тех и нет.
Физики называют это аномальным туннелированием. Обычно туннелирование — это когда частица проскакивает сквозь барьер, который по классическим меркам не должна преодолеть. Но здесь всё ещё удивительнее: с падением энергии прохождение становится не хуже, а лучше, и в пределе достигает ста процентов. Долгое время это считали курьёзом, свойственным лишь некоторым экзотическим средам. Авторы новой работы доказали, что причина глубже — она в самой симметрии системы.
В сверхтекучей жидкости существует особая мода колебаний — фонон, квант звука. Его поведение подчиняется законам, которые диктует спонтанное нарушение симметрии. На идеально ровном столе стоит карандаш, балансирующий на острие. Пока он вертикален, система симметрична относительно поворота. Но малейшее дуновение — и карандаш падает, выбирая какое-то одно направление. Так и сверхтекучесть: симметрия есть, но основное состояние её «ломает», выбирая конкретную фазу. Из-за этого рождаются намбу-голдстоуновские моды — те самые фононы, которые при низких энергиях не чувствуют плавных препятствий.
Работа показала: если потенциал-препятствие не трогает нарушенную симметрию, для длинных волн он становится невидимым. Это универсальное правило, работающее и для магнонов (волн намагниченности), и для других систем. А вот если потенциал симметрию нарушает, волна начинает отражаться — обычное, не аномальное туннелирование. Так физики получили простой критерий: сохрани симметрию — и барьер исчезнет. И тогда камень, брошенный в пруд, перестаёт быть помехой для кругов на воде.
В сверхтекучем гелии звук может проходить сквозь пористую перегородку, которая задержала бы обычную жидкость, — и делать это без малейших потерь энергии.
В романе «Ложная слепота» Питера Уоттса инопланетные существа используют квантовые эффекты для мгновенной связи — аномальное туннелирование могло бы стать основой подобных технологий.