В Кембридже напрямую измерили распад клубка вихревых линий в трёхмерном газе калия-39
Физики Кембриджского университета увидели следы вихрей в трёхмерном бозе-газе. Распад отвечает турбулентности Винена, а его коэффициент близок к значению для сверхтекучего гелия.
Исследователи из Кембриджского университета под руководством Себастьяна Дж. Морриса напрямую измерили распад трёхмерного клубка квантовых вихревых линий в однородном атомарном бозе-газе калия-39, сообщает журнал Physical Review Letters. aps.org
Physical Review Lettersaps.orgОткрыть источник ↗ Атомы удерживались вблизи абсолютного нуля в цилиндрической световой ловушке диаметром около 47 микрометров.
В квантовых жидкостях вихри возможны только с фиксированной циркуляцией и образуют тонкие линии, которые могут хаотично запутываться. При турбулентности Винена клубок постепенно рассасывается без крупномасштабных течений. В сверхтекучем гелии этот распад раньше определяли лишь косвенно, по другим величинам.
Как получили изображения вихрей
Газ сначала находился в неупорядоченном состоянии, после чего ему позволили релаксировать к общему упорядоченному квантовому состоянию. Чтобы увидеть вихри, команда увеличила облако примерно в 3,5 раза материально-волновой линзой и затем снимала слой толщиной около 15 микрометров. Там, где вихревая линия пересекала слой, на снимке появлялся тёмный след с пониженной плотностью атомов. При съёмке всего облака вместо слоя вихри оставались скрытыми.
Снимки из отдельных запусков дали статистическую картину изменения клубка во времени. Отдельные следы стали отчётливо видны примерно через 80 миллисекунд, затем их число постоянно снижалось. По числу следов авторы определили плотность длины вихревых линий, то есть суммарную длину вихревых нитей в единице объёма. aps.org
Physical Review Lettersaps.orgОткрыть источник ↗
Закон распада и сравнение с гелием
Быстрее всего плотность падала в начале, когда линий было много. Это соответствует нелинейному распаду, предсказанному для «ультраквантовой» турбулентности Винена. При очень малом числе оставшихся вихрей стала заметна более медленная, почти экспоненциальная убыль; авторы предполагают, что она может быть связана с исчезновением линий на границах ловушки. Модель, учитывающая оба процесса, согласуется с данными.
Измерения повторили при трёх значениях силы взаимодействия. При более слабом взаимодействии отчётливые вихри возникали позже, но их дальнейший распад описывался тем же коэффициентом. С учётом различия масс атомов этот коэффициент примерно совпадает со значением для сверхтекучего гелия, хотя газ калия гораздо разреженнее, а его атомы взаимодействуют слабее.
Авторы отмечают, что совпадение относится к статистическому распаду плотности линий и не доказывает идентичность процессов во всех квантовых жидкостях. Данные получены по отдельным слоям, а не по полной трёхмерной реконструкции. Одновременная съёмка нескольких слоёв могла бы показать, как клубок меняется в пространстве и как взаимодействуют отдельные вихри.
