Ученые из Ланкастерского университета и Института физических проблем им. П. Л. Капицы РАН установили, почему объекты, движущиеся в сверхтекучем жидком изотопе гелия-3, не имеют ограничения скорости. Это связано с частицами, которые прилипают к поверхности объектов в этой среде.

Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Гелий-3 — редкий изотоп гелия. В отличие от более тяжелого стабильного изотопа гелия-4 в нем отсутствует один нейтрон. Гелий-3 становится сверхтекучей жидкостью при чрезвычайно низких температурах и приобретает необычные свойства: например, объекты, движущиеся в нем, не испытывают силы трения. Раньше считалось, что объекты в такой среде ограничены критической скоростью Ландау, превышение которой ведет к нарушению структуры сверхтекучей жидкости. Предыдущие эксперименты физиков показали, что это не строгое правило и на самом деле объекты могут двигаться с гораздо большей скоростью, не разрушая при этом хрупкое сверхтекучее состояние.

Теперь ученые нашли причину отсутствия ограничения скорости — частицы, которые прилипают ко всем поверхностям в сверхтекучей жидкости, образуя вокруг них покрывающий слой.

В эксперименте исследователи охладили гелий-3 до температуры, превышающий абсолютный ноль всего лишь на одну десятитысячную градуса (0,0001 K, или –273,15 °C). Затем они протянули проволоку через сверхтекучую жидкость и измерили силу, необходимую для ее перемещения в этой среде. Не считая усилия, которое нужно для начала движения, возникающее из-за наличия частиц, связанных с поверхностью проволоки, измеренная сила была равна нулю. Несмотря на то что сверхтекучий гелий-3 — это достаточно плотная жидкость, для движущегося объекта он ощущается как вакуум, то есть в нем полностью отсутствует сопротивление.

«Заставив объект изменить направление своего движения, мы смогли сделать вывод, что он скрыт от сверхтекучей жидкости покрывающими его связанными частицами, даже когда его скорость очень высока», — рассказал один из авторов работы, сотрудник Ланкастерского университета Эш Дженнингс.

Движение связанных частиц оказывает на объект некоторую силу, но после начала движения она полностью исчезает. Результаты могут быть использованы в различных квантовых технологиях, в том числе в квантовых вычислениях.