Упрощенно говоря, сверхтекучесть — это способность вещества, возникающая при понижении температуры до величин, близких к абсолютному нулю, протекать через узкие щели и капилляры без трения. Сверхтекучесть жидкого гелия возникает при температуре ниже 2,172 °К.
Сверхтекучесть и сверхпроводимость не случайно оказались связаны между собой в работах физиков: как писал Гинзбург, «явление сверхпроводимости уже давно было охарактеризовано как сверхтекучесть электронной жидкости в металлах».
Естественно, изучение сверхтекучести и сверхпроводимости не закончилось на этих блестящих именах. Во-первых, выяснилось, что эффекты сверхтекучести наблюдаются не только в лабораториях: состояние сверхтекучести и состояние Вселенной в первые микросекунды ее существования описываются общими закономерностями. Во-вторых, эти явления оказались значительно сложнее, чем описали классики. Одна из таких сложностей — упомянутая выше проблема турбулентности сверхтекучих жидкостей.
Мы встретились с Натальей Берловой, чтобы попытаться разобраться в сути сделанных открытий и узнать, как выпускница Московского университета стала первой женщиной — профессором математики за всю восьмисотлетнюю историю Кембриджского университета.
— Не могли ли бы вы разъяснить нам, в чем суть вашего открытия?
— Я бы не называла это открытием, но надеюсь, что это значимый шаг вперед. Мы создали новую математическую конструкцию, включающую в себя теорию сверхтекучести Ландау, за которую он получил Нобелевскую премию, и квантовые эффекты, такие как квантовые вихри, которые еще не были открыты, когда Ландау создавал свою теорию.
— А если подробнее…
— Известно, что, когда в 1938 году арестовали Ландау, Капица, который открыл к тому времени явление сверхтекучести, написал письмо Сталину с просьбой об освобождении опального физика, ссылаясь на необходимость объяснить удивительные свойства сверхтекучести и создать ее математическую модель. И именно Ландау создал двухкомпонентную модель сверхтекучего гелия, за что и получил Нобелевскую премию.
Дело в том, что сверхтекучий гелий может быть описан как смесь двух компонентов: сверхтекучего и нормального. Сверхтекучий компонент (He-II) — это идеальная жидкость, у которой нет никакой вязкости, которая не переносит тепла и не переносит энтропии, а нормальный компонент (He-I) — обычная вязкая жидкость. Ландау показал, что требования, налагаемые классическими законами сохранения и галилеевой инвариантностью, оказываются достаточными для описания двухкомпонентного, сверхтекучего гелия.
Но прошло несколько лет, и британец Джо Вайнен в 1961 году впервые экспериментально доказал присутствие во вращающемся сверхтекучем гелии квантованных вихрей сверхтекучей компоненты He-II, то есть феномена, подчиняющегося законам не классической, а квантовой механики. Вихри двигаются внутри жидкости: разделяются и снова сливаются, формируя связки и переплетения. Особенность этих вихрей в том, что сила циркуляции жидкости вокруг центра этого вихря может принимать только дискретные значения. Собственно, поэтому такие жидкости получили название квантовых. А наука, которая занимается таким эффектами, называется квантовой гидродинамикой. Но Ландау этого всего не знал, и его теория исключала как сами вихри, так и их взаимодействие с нормальным и сверхтекучим компонентами. Было много попыток поправить теорию Ландау. Наиболее успешна в этом отношении теория HVBK, названная так по фамилиям предложивших ее британцев Хола и Вайнена и российских ученых Бахаревича и Халатникова, в которой удалось учесть структуру клубка квантовых вихрей. Но и она была не в состоянии описать движение и видоизменение самого клубка. И только нашей команде это удалось.
Причем оказалось, что хотя в сверхтекучем гелии у этих вихрей очень маленький размер — порядка ангстрема, то есть размер атома, однако при определенных условиях и в других системах, таких как ультрахолодные газы или поляритонные конденсаты, их размер может достигать десятков микрон: такие вихри становятся видимыми практически невооруженным глазом. Более того, удивительным образом вихри, несмотря на их наноразмеры, можно «видеть» и в сверхтекучем гелии.
