Z pewnością pytanie takie nie jest pytaniem typowo naukowym, wszak nikt nie zastanawia się co byśmy czuli, gdybyśmy wsadzili dłoń w materię znajdującą się na powierzchni gwiazdy. Nie zmienia to jednak faktu, że naukowcy z Uniwersytetu Lancaster w Wielkiej Brytanii postanowili właśnie to sprawdzić.
Za temat swojego eksperymentu naukowcy izotop helu 3He w stanie nadciekłym. Mamy zatem do czynienia z próbą przełożenia zjawisk typowych dla fizyki kwantowej na wrażenia odczuwane przez człowieka, który jest jednak obiektem poruszającym się w domenie fizyki klasycznej. Zrozumienie styku tych dwóch bliskich, a zarazem bardzo rozłącznych działów fizyki jest jednym z najważniejszych wyzwań stojących przed współczesną nauką. Autorem najnowszego artykułu opublikowanego w periodyku naukowym Nature communications jest dr Samuli Autti.
Warto tutaj zauważyć, że z nadciekłością jest wiele skomplikowanych problemów. Jeżeli skupimy się na helu to możemy mówić o nadciekłości izotopu 3He oraz 4He. Okazuje się jednak, że za nadciekłość tych dwóch izotopów odpowiadają zupełnie różne zjawiska. I tak, 4He osiąga stan nadciekły w temperaturze poniżej -270,98 stopni Celsjusza (2,17K). Z uwagi na to, że atomy 4He są bozonami, mamy tutaj do czynienia z powstawaniem kondensatu Bosego-Einsteina. W przypadku izotopu 3He natomiast stan nadciekły powstaje dopiero w temperaturze 2,6 mK. Tutaj jednak atomy nie są bozonami, a fermionami, a tym samym zjawiska kwantowe odpowiadające za nadciekłość są zupełnie inne.
Autor opracowania wskazuje jednak, że jak dotąd nikt nie badał, co by się stało, gdybyśmy chcieli dotknąć dłonią fizyki kwantowej, jeżeli w ogóle można to tak określić. Według badacza, w przypadku helu w stanie nadciekłym można jednak to ustalić, choć warunki eksperymentalne byłyby iście ekstremalne i wymagałyby zastosowania niezwykle skomplikowanych technik badawczych.
Czytaj także: W laboratorium po raz pierwszy powstał fenomen: dwuwymiarowe ciało nadstałe. Do czego można je wykorzystać?
Eksperyment przeprowadzono w temperaturze 0,0001 stopnia powyżej zera absolutnego w specjalnej zamrażarce. Do przetestowania dotyku wykorzystano mechaniczny rezonator wielkości palca, który miał za zadanie dotknąć helu 3He w stanie nadciekłym. Próba zamieszania nadciekłego helu prętem zakończyła się niepowodzeniem. Lokalnie wytworzone ciepło odprowadzane jest wzdłuż powierzchni pojemnika, natomiast pozostała część nadcieczy zachowuje się jak próżnia i pozostaje zupełnie niewzruszona.
Według autora opracowania ciecz sprawiałaby wrażenie dwuwymiarowej, gdybyśmy włożyli do niej palec. Znajdująca się w pojemniku objętość nadcieczy wydawałaby się pustą przestrzenią, a ciepło przepływałoby wzdłuż krawędzi styku, tj. wzdłuż samego palca.
Badacze wskazują, że objętość helu 3He w stanie nadciekłym otoczona jest osobną dwuwymiarową warstwą nadciekłą, która wchodzi w interakcje z obiektami mechanicznymi. Dopiero gwałtowne dostarczenie energii może dać chwilowy dostęp do objętości nadciekłego 3He. Wniosek jest zatem taki, że hel w stanie nadciekłym w najniższych możliwych temperaturach jest termomechanicznie dwuwymiarowy.
Warto zauważyć, że hel 3He w stanie nadciekłym to jeden z najbardziej wszechstronnych makroskopowych układów kwantowych wykorzystywanych w warunkach laboratoryjnych. Wykorzystuje się go często do badań zarówno w dziedzinie fizyki cząstek elementarnych, kosmologii, jak i w badaniach nad kwantowym przetwarzaniem informacji. Możliwe, że zrozumienie jego struktury w kontaktach z obiektami niekwantowymi da naukowcom nowe informacje, które z kolei pozwolą na zastosowanie go do nowych obszarów badań.