Колектив вчених з Канади, США та Німеччини вперше експериментально вивчив рух надплинного гелію в квазі-одномірних системах. Йдеться про канали настільки малої товщини (кілька нанометрів), що в них пригнічуються майже всі дво- і тривимірні ефекти (наприклад, вихори), і гелій може рухатися тільки в одному напрямку. Вивчення поведінка гелію в таких системах дозволить відповісти на деякі питання про механізми освіти дефектів у квантових системах при температурах, близьких до абсолютного нуля. Робота опублікована в.
При температурах нижче деякого критичного значення ізотоп гелію 4He переходить в надплинний стан, тобто в ньому повністю пропадає в'язкість. Така надплинна рідина здатна, наприклад, «виповзати» з ємності всупереч гравітації.
Згідно з найбільш загальноприйнятою моделлю, перехід від звичайного стану до надплинного відбувається не стрибком, а через стадію «двох рідин». Одна з них - це «нормальний» гелій, що володіє ненульовою в'язкістю, а інша - надплинний гелій. Чим нижче температура системи, тим більша частка надплинного гелію в суміші.
Автори вимірювали швидкість перебігу гелію в каналах товщиною від двадцяти до трьох нанометрів залежно від температури і тиску. Початок переходу до надплинного стану спостерігався при температурі близько двох кельвінів, у повній відповідності з попередніми даними. Однак при переході від більш товстих каналів до більш тонкої поведінка гелію змінювалася: швидкість течії зменшувалася.
Вчені пояснюють ефект наступними міркуваннями: навіть у надплинному гелії існують механізми, через які система може втрачати енергію і в підсумку сповільнюватися. Найпоширенішим з цих механізмів є утворення вихорів. На основі них, наприклад, у недавній роботі автори виміряли «заборонену» для надплинних рідин кількість Рейнольдса.
Вихор - це двомірне явище, отже, існує певний масштаб, на якому можлива їхня освіта. Ідея нової роботи була в тому, щоб зменшити товщину каналу до розмірів, менших характерного розміру вихорів. У такій системі мала спостерігатися «нова» поведінка надплинного гелію.
В результаті вчені дійсно спостерігали те, що очікували: чим тонше брали канал, тим повільніше в ньому протікав надплинний гелій, а також знижувалося і значення критичної швидкості, при якій стан надплинності порушувався. Крім того, в тонких каналах на відміну від товстих швидкість течії гелію переставала залежати від тиску в системі.
Описані явища були раніше передбачені в рамках теорії Томонагу-Люттінгера. Вона описує рух одномірної квантової рідини. Одномірність означає, що частинки, які становлять таку рідину, можуть рухатися через канал лише поодинці, що має кардинально змінити властивості такої системи. Ця теорія важлива не тільки для надплинного гелію, а й для електронних пристроїв: вона описує, наприклад, як буде вести себе провідник, в якому електрони можуть рухатися лише один за одним, поодинці.
На даний момент робилося багато спроб експериментально наблизитися до квазі-одномірних систем. Наприклад, вивчався рух надплинної рідини в пористих системах з малим діаметром пір. Але досі технічні можливості не дозволяли проводити вимірювання в каналах, товщина яких була б порівнянна з розміром атома. У новій роботі автори максимально наблизилися до таких систем, хоча «повноцінні» одномірні рідини все ще не отримані.