В рамках нашего нового проекта «Капица — Резерфорд», посвященного отношениям российской и британской науки, физик Маржена Шиманска рассказывает читателям ПостНауки о перспективах исследований сверхтекучих веществ.

Что такое сверхтекучесть? Нам известно одно ее проявление — способность вещества течь без трения. Если вы возьмете ведро гелия и поместите его в любую емкость, вы можете двигать его вверх и вниз, а между стенками емкости не возникнет никакого трения.

Сверхтекучесть была открыта в гелии-4 и объяснена при помощи конденсата Бозе — Эйнштейна, потому что атомы гелия-4 существуют в форме бозонов и могут формировать микроскопическое квантовое состояние — конденсат Бозе — Эйнштейна. Обычно конденсаты Бозе — Эйнштейна — это и есть сверхтекучие материалы. Тем не менее их не следует сводить друг к другу. Например, в сверхтекучем гелии-4 сила взаимодействия намного больше, чем в других сверхтекучих материалах. Поэтому общая картина немного более сложная.

В целом в состоянии сверхтекучести частицы складываются в микроскопическое квантовое состояние и действуют коллективно. Если они наталкиваются на препятствие, они не рассеиваются. Если смотреть на это с точки зрения энергии, то можно понять, что любые возбуждения вне этих микроскопических объектов энергетически невозможны, потому что соотношение между энергией и импульсом изменяется таким образом, что возбуждения не возникает. Этим объясняется тот факт, что сверхтекучая жидкость течет без сопротивления.

Типы сверхтекучих веществ

Сверхтекучие вещества могут существовать как в форме бозонов, так и в форме фермионов. Фермионная сверхтекучесть связана с феноменом сверхпроводимости, который был открыт в электронных системах. Однако фермионная сверхтекучесть жидкого гелия, гелия-3, намного более экзотическое явление, чем сверхпроводимость, которая возникает в электронных системах.

Процесс взаимодействия атомов гелия-3 довольно сложен и приводит к спариванию (для перехода фермионов в состояние Бозе — Эйнштейна они должны соединиться, образуя бозоны). Два фермиона складываются в бозон. Процесс спаривания электронов довольно прост, он симметричен и называется S-волной. Для атомов гелия-3 процесс спаривания называется P-волновым спариванием. Это означает, что внутренний орбитальный момент не равен нулю и вы имеете дело с вектором. Если вы работаете с двумя парами, двумя атомами гелия-3, то вы получаете вектор, связанный с угловым моментом (моментом импульса). В то же время они имеют ненулевой спин. В S-волне у вас есть одно состояние спина, поэтому вы можете связать другой вектор с их спином. Кроме того, у вас есть один вектор для момента импульса и один для спина. Теперь, когда они сжаты, происходит нарушение симметрии системы.

Нарушение симметрии

Понятие нарушения симметрии очень важно для понимания теории сверхтекучести и сверхпроводимости. Оно означает, что система, которая описывается некоторым гамильтонианом и имеет определенную энергию, становится инвариантной. При этом некоторые свойства системы не могут быть определены гамильтонианом. Например, гамильтониан инвариантен под влиянием направления спина или направления внутреннего орбитального импульса, в случае с конденсатом инвариантен относительно выбора фазы (мы знаем, что конденсат имеет фазу, но гамильтониан не определяет, какую именно фазу он имеет). Таким образом, система спонтанно нарушает эту симметрию.

В случае сверхтекучести — есть более простые сверхтекучие вещества вроде гелия-4 и более сложные, как гелий-3, — одновременно нарушается несколько симметрий. В гелии-3 нарушается не только фазовая симметрия, но и направление спина и внутреннего углового момента. Эти нарушения могут происходить несколькими способами. Если угловой момент нарушает симметрию, то все атомы находятся в одном направлении с внутренним угловым моментом и спином. Это вводит жидкий гелий в А-фазу. Однако если фиксировать отношения между спином и внутренним угловым моментом, то фиксируется только относительный угол, а не каждый из углов. Это ведет к В-фазе сверхтекучего вещества. В рамках этого подхода могут быть неплохо поняты естественные сверхтекучие вещества вроде гелия-3 и гелия-4. Однако исследования сверхтекучести не останавливаются на изучении гелия.

Ультрахолодные атомы

В последние годы в центре внимания оказались ультрахолодные атомы как новая система для изучения сверхтекучести. В них можно создать эффекты, которые обычно не появляются в природе. Например, можно смешивать статистику. Для холодных атомов можно объединить бозоны и фермионы и создать сверхтекучее состояние, которое одновременно является бозе-эйнштейновским состоянием бозонной части и БКШ-подобным состоянием фермионной части.

Кроме того, можно вывести систему из равновесия. Сделав это с фермионами, можно получить достаточно непредсказуемый результат, потому что фермионные поверхности Ферми могут не соотноситься друг с другом (поверхность Ферми одного будет намного меньше другого). Это приведет к довольно экзотическим спариваниям и трудно объяснимым последствиям.

Мы также можем создать состояния, переходящие от БКШ до БЭК. В фермионах можно изменить взаимодействия при помощи магнитного поля, используя резонансы Фешбаха. Таким образом, можно спровоцировать сильное спаривание между фермионными атомами, которые бывают в сверхтекучем состоянии типа БКШ. Более тесно связанные пары молекул могут подвергаться конденсации Бозе — Эйнштейна. Так, мы получаем сверхтекучесть, которая находится в промежуточном состоянии — между фермионной и бозонной сверхтекучестью. В этом случае мы имеем дело с совершенно новой системой для изучения сверхтекучести.

Фотонные сверхтекучие вещества

Совершенно новая система появилась еще позже холодного атома, в последние 10–15 лет. Речь идет о фотонных сверхтекучих веществах, экситонах-поляритонах, в которых наблюдается все разнообразие сверхтекучего поведения: не имеющий трения поток, вихри, системные токи, течения через препятствия и так далее. Все эти вещества достаточно разнообразны. Это связано с тем, что если создать почти идеальные зеркала для захвата фотонов, то они все равно никогда не будут полностью идеальными. Система постоянно распадается, и нам приходится пополнять поляритоны с другой стороны. Таким образом, система находится вне равновесия и управляется диссипативно.

Если посмотреть на систему поверхностно, то можно подумать, что это нарушает так называемый критерий Ландау. Строго говоря, система не должна быть сверхтекучей, поскольку это нарушает очень важный критерий, который позволяет определить, являются ли системы сверхтекучими или нет. Поэтому мы должны переосмыслить и переформулировать теорию сверхтекучести в контексте этих новых сверхтекучих веществ.

Несмотря на то что изучение сверхтекучести началось сто лет назад, оно все еще является очень активным полем экспериментальных исследований. Создаются более экзотические состояния, связанные со сверхтекучестью. Более того, в этой сфере осталось еще много вопросов без ответа.