Российские и британские ученые создали и успешно применили на практике устройство для исследования квантовой турбулентности, способное детектировать в режиме реального времени единичные квантовые вихри в сверхтекучем гелии. Основой детектора стала наноэлектромеханическая система. Статья опубликована в журнале Nature Communications.
Турбулентность наблюдается в повседневной жизни в виде прибoев, бурного течения рек, вздымающихся грозовых облаков, дыма из труб. Однако полной теории турбулентности на сегодняшний день не существует. Потоки жидкостей и газов описываются фундаментальным уравнением Навье — Стокса, аналитическое решение которого не найдено до сих пор за исключением простейших случаев.
Моделировать квантовую турбулентность проще, чем ее классический аналог, так как в сверхтекучих жидкостях вихри идентичны и имеют фиксированный размер. Квантовая турбулентность представляет собой клубок квантованных вихрей, на основе поведения одиночного квантового вихря можно построить своего рода модель всего. Однако турбулентность в квантовых системах проявляется лишь в микроскопическом масштабе, до недавнего времени у ученых не было инструментов, позволяющих исследовать такие маленькие структуры. Это стало возможным лишь с появлением наноэлектромеханических систем (НЭМС) сверхчувствительных детекторов на их основе. Именно такое устройство удалось создать ученым из научно-образовательной школы МГУ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина», Центра квантовых технологий физфака МГУ и Ланкастерского университета.
«Используемая в эксперименте наноэлектромеханическая резонансная система состоит из подвешенного нанопровода из нитрида кремния с поперечным размером 100 нанометров (нм) и длиной 70 микрометров (мкм), покрытого пленкой алюминия толщиной 30 нм. Механические колебания в системе возбуждаются магнитодвижущим методом: пропусканием переменного тока через нанопровод в перпендикулярном магнитном поле 5 Тесла (Тл)», — рассказывает соавтор исследования, младший научный сотрудник кафедры физики полупроводников и криоэлектроники и Центра квантовых технологий физического факультета МГУ Александр Дорофеев.
Резонансная частота нанопровода крайне чувствительна к внешнему воздействию. При взаимодействии квантового вихря резонансная частота первого изменялась с характерной зависимостью от времени. Это позволило описать стадии взаимодействия единичного квантового вихря с нанопроводом: момент захвата вихря, период их взаимодействия и момент освобождения.
Массив подобных наномеханических резонаторов может иметь достаточную точность для пространственного и временного разрешения более сложной квантовой вихревой структуры в сверхтекучих жидкостях. Устройство также позволят фиксировать конец частично захваченного вихря для изучения наноразмерных колебаний вихревого ядра. Разработка способствует лучшему понимаю турбулентности и может дать ключ к решению столь уравнений Навье — Стокса.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
