Квантовая турбулентность и квантовые вихри под контролем
Учёные научно-образовательной школы МГУ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина» и Центра квантовых технологий физфака МГУ совместно с коллегами из Ланкастерского университета (Великобритания) создали и успешно применили на практике устройство для исследования явлений квантовой турбулентности, способное детектировать в режиме реального времени единичные квантовые вихри в сверхтекучем гелии (4He).
Основой детектора является наноэлектромеханическая система (НЭМС), разработанная и изготовленная в ЦКП МГУ «Учебно-методический центр литографии и микроскопии». Исследование добавит понимания самого явления турбулентности и её квантовой разновидности.
Статья опубликована в журнале Nature Communications.
Несмотря на то, что явление турбулентности очень распространено и наблюдается в повседневной жизни в виде прибoев, бурного течения рек, вздымающихся грозовых облаков, дыма из трубы и так далее, полной теории турбулентности на сегодняшний день не существует. Аналитического решения фундаментального уравнения Навье-Стокса, которому подчиняются потоки жидкостей и газов, не найдено до сих пор за исключением простейших случаев.
Моделировать квантовую турбулентность проще, чем её классический аналог поскольку в сверхтекучих жидкостях вихри имеют фиксированный размер и идентичны. Квантовая турбулентность представляет собой клубок квантованных вихрей, поэтому на основе изучения поведения одиночного квантового вихря можно построить своего рода «атомную модель» этого явления. Но явление турбулентности в квантовых системах проявляется на микроскопическом масштабе и до недавнего времени у ученых не было инструментов, позволяющих с достаточным пространственным разрешением исследовать такие маленькие структуры. Это стало возможным лишь с появлением с появлением НЭМС и разработкой сверхчувствительных детекторов на её основе.
«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 плёнкой алюминия толщиной 30 нм. Механические колебания в системе возбуждаются магнитодвижущим методом: пропусканием переменного тока через нанопровод в перпендикулярном магнитном поле 5 Тесла (Тл)», - рассказывает Александр Дорофеев, младший научный сотрудник кафедры физики полупроводников и криоэлектроники и Центра квантовых технологий физического факультета МГУ.
Резонансная частота нанопровода крайне чувствительна к внешнему воздействию. При взаимодействии квантового вихря с нанопроводом резонансная частота последнего изменялась с характерной зависимостью от времени. Это позволило охарактеризовать различные стадии взаимодействия единичного квантового вихря с нанопроводом, а именно момент захвата вихря нанопроводом, период их взаимодействия и момент освобождения.
Авторы работы подчеркивают, что массив таких наномеханических резонаторов может иметь достаточную точность для пространственного и временного разрешения более сложной квантовой вихревой структуры в сверхтекучих жидкостях. Разработанные устройства также позволят фиксировать конец частично захваченного вихря для изучения наноразмерных колебаний вихревого ядра добавят понимания турбулентности и могут дать ключ к решению столь «упрямых уравнений» Навье-Стокса.
Захват одиночного вихря в специальной конфигурации в перспективе позволят изучить динамику волн Кельвина, что является долгожданной целью в исследованиях квантовой турбулентности.
Напомним, в 2020 году Московский университет сформировал семь междисциплинарных научно-образовательных школ (nosh.msu.ru) по прорывным направлениям: «Фундаментальные и прикладные исследования космоса», «Сохранение мирового культурно-исторического наследия», «Мозг, когнитивные системы, искусственный интеллект», «Молекулярные технологии живых систем и синтетическая биология», «Математические методы анализа сложных систем», «Фотонные и квантовые технологии.
Цифровая медицина», «Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды». Школы призваны объединить учебный процесс университета и его научный потенциал для создания новых уникальных образовательных программ, подготовки специалистов с самыми современными знаниями и навыками, для развития перспективных междисциплинарных направлений науки и достижения прорывных научных результатов.
Научная школа «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина» объединяет учёных физического факультета, факультета фундаментальной медицины и медицинского научно-образовательного центра. Около 50% коллектива Школы — молодые кандидаты и доктора наук, а около 20% — студенты и аспиранты МГУ, которые проводят междисциплинарные исследования в области фундаментальной и прикладной физики и биомедицины.
