Ученые получили сверхтекучую жидкость из бозонов и фермионов вместе

nTC1RvY-dy81

Впервые получена смесь бозонов и фермионов, находящихся в сверхтекучем состоянии.

На фото: Сверхтекучий гелий, выливающийся из сосуда через пленку на его поверхности. Изображение: Alfred Leitner

 

Европейские ученые опубликовали статью в Science, в которой сообщают об первом экспериментальном получении смеси сверхтекучего конденсата Бозе-Эйнштейна (БЭ) и сверхтекучей жидкости Ферми. Ученые использовали газ из изотопов лития-6 и бозоны лития-7, помещенные в оптическую ловушку при температуре порядка сотен нанокельвинов.

Основной целью работы, помимо получения самой смеси, было количественное исследование взаимодействия Бозе-Ферми. Оно оказывается слишком слабым, чтобы напрямую повлиять на профили плотностей полученной смеси, поэтому авторы применяли более сложный метод: сдвигая положение смеси относительно центра оптической ловушки на некоторое небольшое расстояние, а затем предоставляя ей свободу, можно было независимо наблюдать колебания центра масс конденсата БЭ и сверхтекучей жидкости Ферми.

В норме соотношение частот колебаний центров масс должно равняться корню из отношения атомных масс изотопов лития, то есть корню из 6/7. Однако для смеси изотопов в сверхтекучем состоянии наблюдается небольшое отклонение от предсказанного значения.

Поскольку бозонов в эксперименте было в десять раз меньше, чем фермионов, конденсат БЭ можно было считать примесью по отношению к сверхтекучей жидкости Ферми. Именно для этих изотопов наблюдалось отклонение от предполагаемой частоты.

Для объяснения этого явления авторы предложили теоретическую модель, основанную на включении эффективного потенциала, действующего между бозонами и фермионами. Вклад потенциала пропорционален соотношению масс разных атомов в общей смеси. Таким образом авторы получили перекалиброванную частоту, учитывающую вклад от взаимодействия Бозе-Ферми. Результаты расчетов в самом деле хорошо совпали с экспериментальными измерениями.

И конденсаты БЭ, и жидкости Ферми хорошо известны, в том числе и в сверхтекучем состоянии, однако до сих пор не удавалось получить их в одной смеси. Отчасти это связано с тем, что чаще всего в подобных экспериментах использовались изотопы гелия 3 и 4. Их смесь обладает рядом ограничений по составу, что затрудняет одновременный перевод обоих изотопов в сверхтекучее состояние. Использование лития вместо гелия позволило авторам обойти эти ограничения.

Сверхтекучие жидкости имеют много общего с явлением сверхпроводимости. С точки зрения теории любая частица с полуцелым спином является фермионом, то есть подчиняется статистике Ферми-Дирака, а любая частица с целым спином — бозоном, который подчиняется статистике Бозе-Эйнштейна. Атом целиком является бозоном или фермионом в зависимости от суммы спинов частиц, входящих в его состав.

Сверхтекучее состояние наступает в случае конденсации вещества при очень низкой температуре, когда большая часть частиц переходит в низшее энергетическое состояние. Бозоны образуют конденсат БЭ, тогда как фермионы для перехода в это состояние вынуждены объединятся в пары, чтобы их спин стал целым. При образовании подобных пар из электронов проводник переходит в сверхпроводящее состояние, то есть обладает нулевым сопротивлением. В более же общем случае образуется сверхтекучая жидкость, которая обладает нулевой вязкостью, благодаря чему, например, может самостоятельно вытекать из сосуда, даже вверх по стенке.