Свет течёт без трения: три способа измерить предел ✛
В парижской лаборатории свет заставили обтекать преграду, как вода обтекает камень в ручье. Только вода здесь особенная: она не чувствует трения. Такое состояние называют сверхтекучестью, и до сих пор его наблюдали в жидком гелии и ультрахолодных газах, а теперь — в пучке лазерного света, бегущем сквозь разогретый до 150 градусов пар рубидия.
Физики построили для света узкий канал: широкий лазерный пучок на 780 нанометров создаёт двумерную жидкость, а второй, более узкий пучок на 795 нанометров работает как подвижная преграда. Наклон основного пучка задаёт скорость течения, а мощность второго — размер препятствия. Пока скорость мала, свет огибает преграду плавно, без потерь. Но стоит превысить критический порог, и за преградой начинают рождаться вихри — крошечные завихрения, каждое с целым числом оборотов фазы.
Чтобы поймать этот порог, исследователи следили сразу за тремя вещами: сколько вихрей появилось в следе, с какой силой поток давит на преграду и насколько сама преграда смещается относительно потока. Раньше критическую скорость сверхтекучего света измеряли по одному признаку, и разные методы давали слегка разные пороги. Теперь три независимых наблюдаемых в одном эксперименте дали согласованные значения.
Критическая скорость оказалась заметно ниже предсказания Ландау и падала с ростом размера преграды: от 0,52 скорости звука при радиусе 4,3 длины когерентности до 0,18 при радиусе 6,4. Длина когерентности — это минимальный размер, на котором плотность жидкости восстанавливается после возмущения, около 50 микрометров в этом эксперименте. Среднее значение 0,35 совпало с теоретическим пределом для непроницаемого диска большого диаметра.
Теперь сверхтекучий свет можно использовать как испытательный стенд для квантовой гидродинамики. Методику тройной диагностики перенесут на эксперименты с поляритонными конденсатами и холодными атомами, где порог сверхтекучести тоже важно определять надёжно. Свет, обтекающий камень без единого всплеска, оказался удобнее гелия: его легче заставить течь, легче измерить и легче понять.
Сверхтекучий свет в этом эксперименте течёт со скоростью всего около 0.0056 радиана, что соответствует углу наклона луча примерно в треть градуса. При этом критическая скорость достигается уже при наклоне в десятую долю градуса.
Идея света, ведущего себя как жидкость без трения, перекликается с концепцией «жидкого света» из научной фантастики, например, в романе Грега Игана «Лестница Шильда», где вакуум обладает нетривиальными оптическими свойствами.