Новости

26 августа, 2022 11:47

Квантовые вихри — драйвер эволюции? Интервью с академиком Олегом Петровым

Ученые Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН провели уникальный эксперимент, позволивший подробно исследовать проявление квантовых эффектов в нашем макромире. Статья об этом опубликована в Nature Scientific Reports. Подвергнув лазерному излучению частицы сверхпроводящей керамики в магнитном поле в сверхтекучем гелии, физики наблюдали увеличение энергии движения частиц и образование новых сложных структур ― по сути, их эволюцию. Работа поддержана грантом Российского научного фонда.
Рой частиц сверхпроводящей керамики, левитирующих в магнитном поле в сверхтекучем гелии. Источник: Елена Либрик, «Научная Россия»
Подробнее об эксперименте и о том, какую роль во взаимодействии микро- и макромира играют квантовые вихри, рассказал директор ОИВТ РАН академик Олег Федорович Петров.

― Какими характеристиками должен обладать объект, чтобы у него можно было наблюдать квантовые свойства?

― Этот вопрос возникает всякий раз, когда мы говорим о наблюдении в физическом эксперименте. Мы изучаем окружающий нас мир в двух аспектах: первый ― мир, в котором мы с вами живем, чувствуем, воспринимаем, ощущаем, то есть мир макроскопических объектов и явлений, а второй ― квантовый мир, одно из важных свойств которого ― дискретность, или прерывистость: квантовый объект может иметь дискретные значения энергии, импульса и т.п. Как наблюдать квантовые явления в макроскопическом масштабе? Очень интересный и важный эксперимент в этой области был поставлен нашим соотечественником, нобелевским лауреатом П.Л. Капицей. Речь идет об эксперименте по наблюдению сверхтекучести в жидком гелии при температуре ниже 2,17 К (-271° C) ― так называемой лямбда-точки.

При таких низких температурах гелий становится квантовой жидкостью, обладающей уникальным свойством ― сверхтекучестью, то есть его вязкость устремляется к нулю. Это очень необычное свойство, которое в нормальной жидкости не наблюдается. Эксперимент П.Л. Капицы ― одно из первых наблюдений квантовых эффектов в макроскопическом масштабе.



Олег Федорович Петров. Источник: Елена Либрик, «Научная Россия»

― Сверхтекучесть встречается в природе, или это явление можно наблюдать только в лаборатории?

― Это астрофизический вопрос, выходящий за рамки наших исследований. Однако недавно мы из любопытства и сами им задались и стали искать ответ в научной литературе. Оказалось, что в нашей Галактике есть так называемая Туманность Бумеранга, где температура может достигать около 1 К, или -272° C. Это интересно, учитывая, что вся Вселенная у нас несколько «горячее».

Таким образом, как минимум в одном месте нашей Вселенной существуют настолько низкие температуры, что состояние сверхтекучести там становится возможным.

Первые наблюдения сверхтекучего жидкого гелия, как известно, производились в лабораторных условиях. Туманность Бумеранга была открыта в конце 1970-х гг., а сверхтекучий гелий ― в конце 30-х гг. прошлого века. Для того чтобы достичь сверхтекучести, мы должны охладить вещество до экстремально низких температур ― в этом случае тепловое движение атомов и молекул становится минимальным и внутренняя упорядоченность, квантовые эффекты становятся наблюдаемыми. Да, мы знаем, что во Вселенной есть достаточно холодные места, но пока нет никаких подтверждений существования там жидкого гелия, поэтому лаборатория по-прежнему остается оптимальным местом для изучения явления сверхтекучести.

― Расскажите, пожалуйста, о недавнем эксперименте ОИВТ РАН, где вы впервые наблюдали проявление квантовых эффектов в движении активных частиц в сверхтекучем гелии.

― К этому эксперименту мы шли около десяти лет. В качестве материала использовались частицы высокотемпературной сверхпроводящей керамики с размерами около 40 мкм (толщина человеческого волоса). Эти частицы мы помещали в магнитное поле в сверхтекучем жидком гелии при температуре ниже 2 K (-271° C) и подвергали воздействию лазерного излучения. Частицы левитировали, удерживаясь внешним магнитным полем. Они находились в движении в объеме сверхтекучего жидкого гелия. Самым удивительным в этом эксперименте оказалось то, что, когда мощность лазерного нагрева возрастала, движение частиц становилось все более интенсивным, чего не должно быть в среде сверхтекучего жидкого гелия, где повышение температуры быстро исчезает за счет необычно высокой скорости теплопередачи и частицу трудно разогреть до более высокой температуры.

При нагреве роя частиц лазерным излучением мы наблюдали образование более сложных структур: частицы объединялись в цепочки длиной до миллиметра ― по сути, это эволюция структур, и отток тепла (энтропии), необходимый для такой эволюции, связан с аномально высокой скоростью его переноса в сверхтекучем гелии. При увеличении интенсивности лазерного излучения наблюдалось и увеличение скорости эволюции: скорости движения частиц и образования из них новых цепочек. 

― Если сверхтекучий жидкий гелий ― это квантовая среда, то помещенные в нее частицы тоже становятся квантовыми?

― Нет, сами броуновские частицы не становятся квантовыми, они слишком большие. Когда мы говорим о квантовых явлениях, то подразумеваем такую область масштаба, где можно наблюдать дискретность. В этом случае мы не можем видеть квантовый объект, но способны наблюдать, как он действует на макроскопический объект (частицы сверхпроводящей керамики), что и было показано в нашем эксперименте.

― Что в таком случае выступает тем самым квантовым объектом, влияющим на движение частиц, которое мы можем наблюдать невооруженным глазом?

― Это квантовые вихри. Их возникновение связано с квантовой природой гелия, а их концентрация ― с воздействием лазерного излучения на поверхность частиц, степень нагрева этой поверхности. Оказывается, чем интенсивнее излучение лазера, тем больше квантовых вихрей возникает: концентрация вихрей нарастает, движение частиц становится более интенсивным. Эти квантовые вихри можно рассматривать как упругие нити: они стремятся сократить свою длину. Каждый квантовый вихрь, начинаясь на частице, заканчивается либо на ней же, либо на границе раздела гелия с окружающей средой. Частица оказывается полностью окутанной такими упругими нитями. В результате возникают спонтанное нарушение симметрии и нескомпенсированная сила, потому что вихрей в одной части частицы может оказаться больше, чем в другой. Именно из-за такого воздействия частицы получают нескомпенсированный толчок и начинают двигаться.

― Основа таких квантовых вихрей ― это гелий?

― Да. В качестве основы, или субстрата, выступает гелий. При этом сердцевина квантовых вихрей, согласно сегодняшнем представлениям, считается пустотелой ― то есть гелия там нет. 

― Это довольно сложно вообразить.

― Представьте, что квантовый вихрь ― это пустотелая нить. И вокруг такой пустотелой сердцевины вращается сверхтекучий гелий в квантовом вихре. Скорость атомов гелия, движущихся вокруг сердцевины, меняется от десятков метров в секунду вблизи сердцевины вихря и может падать до микрометров в секунду на периферии вихря. Почему его называют квантовым? Дело в том, что квантовый объект, как я уже говорил, обладает свойством дискретности. Если сверхтекучий компонент сильно закрутить и попытаться создать в нем какие-то завихрения, то циркуляция скорости такого вращения будет принимать только дискретные значения, возникает квантовый вихрь.

Если привести аналогию из природы, квантовый вихрь похож на смерч. Такие вихри ― закономерное следствие квантовой природы сверхтекучего жидкого гелия. Косвенными методами их проявление можно наблюдать в лабораторных условиях, но размеры этих объектов очень маленькие ― диаметр сердцевины подобного вихря составляет около ангстрема, что сопоставимо с размерами атома.

― Вихрь ― квантовый, а сами частицы в то же время как были классическими, так ими и остаются?

― Да, это так, в силу своих больших размеров. Тем не менее движение частиц, которое мы наблюдаем, уже становится проявлением квантовых эффектов. Если бы мы поместили те же самые частицы при таких же температурах в нормальную, классическую жидкость, то они бы оставались почти неподвижными. Мы практически не могли бы наблюдать никакого движения, потому что температура среды настолько низкая, что броуновское движение частиц было бы очень маленьким.

Тогда, согласно квантовой механике, у описанных вами вихрей нет какой-то выделенной траектории, а есть только вероятность нахождения где-либо?

― Да. И эти квантовые объекты на самом деле могут иметь большое значение для нашего макромира. Думаю, многие знакомы с книгой одного из основоположников квантовой механики Эрвина Шредингера «Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки», где он попытался ответить на вопрос: можно ли описать сложный живой объект, опираясь на термодинамику? Ведь при таком описании, казалось бы, мы сталкиваемся с нарушением второго начала термодинамики, представляющего собой закон об энтропии, или о мере беспорядка: когда изолированная система переходит из одного состояния в другое, она, по идее, должна двигаться в сторону разупорядоченности, увеличения энтропии, но на деле мы видим обратное для живых систем, и в процессе эволюции энтропия, наоборот, уменьшается. Исходя из этого, Эрвин Шредингер заключил, что живой системе удается избавиться от той энтропии, которая возникает в процессе ее функционирования. Шредингер также предложил объяснение, связанное с ролью квантовых эффектов и их масштабов. Квантовый мир ― это дискретный и вероятностный мир: если бы мы были квантовыми объектами, то не смогли бы сделать ничего наверняка, а могли бы только с определенной долей вероятности.

Если вернуться к нашим броуновским частицам, то оказывается, что это макроскопический объект, движение которого связано с образованием квантовых вихрей. Наш эксперимент наталкивает на мысль о том, что драйвером эволюции в макромире могли быть именно квантовые эффекты.

Возникнув однажды, квантовые вихри способны усложняться и развиваться. Когда таких вихрей становится много, они переплетаются, и это называется клубком вихрей, или квантовой турбулентностью. Такой клубок усложняется, запуская при этом эволюцию объектов, которые мы знаем как макроскопические, то есть объекты больших размеров.

― Интересно! И этой эволюцией, как вы предполагаете, можно управлять?

― Да. Наш эксперимент показал возможность управления эволюцией роя частиц в сверхтекучем жидком гелии, что позволяет нам подойти к решению таких фундаментальных задач, как изучение процессов возникновения, развития и эволюции сложных макроскопических объектов живой и неживой природы, а также к поиску общих физических закономерностей и механизмов эволюции, включая роль квантовых эффектов.
30 ноября, 2022
Модель распространения солнечного ветра объясняет «теплую погоду» в солнечной системе
Сотрудники ИКИ РАН предложили объяснение того, почему в дальней гелиосфере температура солнечного ...
22 ноября, 2022
Ученые очистили воду с помощью квантовых точек и золота
Графен лежит в основе самых передовых прикладных разработок, но и у него есть свои минусы, которые...