Ученые создали микроскопический «океан» на чипе для изучения волн

Изображение сверхтекучей волновой ванны, использованной в экспериментах (синий цвет), соединенной с оптическим волокном, которое подает лазерный свет в устройство и выводит его. Увеличенный фрагмент показывает фотонный кристаллический резонатор, который улавливает и усиливает лазерный свет для генерации волн. Длина всего устройства составляет 100 микрон, что примерно равно ширине человеческого волоса. Микроскопическая волновая ванна покрыта 5 фемтолитрами сверхтекучего гелия (объем в 10 миллиардов раз меньше капли дождя). Автор: Доктор Кристофер Бейкер

Исследователи из Университета Квинсленда создали микроскопический «океан» на кремниевом чипе, чтобы миниатюризировать изучение динамики волн. Устройство, созданное в Школе математики и физики Университета Квинсленда, использует слой сверхтекучего гелия толщиной всего в несколько миллионных долей миллиметра на чипе размером меньше рисового зерна.

Работа опубликована в журнале Science.

Доктор Кристофер Бейкер заявил, что это самый маленький в мире волновой резервуар, причем квантовые свойства сверхтекучего гелия позволяют ему течь без сопротивления, в отличие от классических жидкостей, таких как вода, которые на таких малых масштабах обездвиживаются вязкостью.

«Изучение того, как движутся жидкости, веками очаровывало ученых, потому что гидродинамика управляет всем: от океанских волн и вихрей ураганов до потока крови и воздуха в наших телах», — сказал доктор Бейкер. «Но большая часть физики, стоящей за волнами и турбулентностью, оставалась загадкой.

«Используя лазерный свет для создания и измерения волн в нашей системе, мы наблюдали ряд поразительных явлений. Мы видели волны, которые наклонялись назад, а не вперед, ударные фронты и уединенные волны, известные как солитоны, которые распространялись как впадины, а не как пики. Это экзотическое поведение предсказывалось в теории, но никогда ранее не наблюдалось».

Профессор Уорик Боуэн отметил, что подход на уровне чипа, разработанный в Квинслендской лаборатории квантовой оптики, может сократить продолжительность экспериментов в миллион раз, уменьшив дни сбора данных до миллисекунд.

«В традиционных лабораториях ученые используют огромные волновые лотки длиной до сотен метров для изучения динамики мелководных волн, таких как цунами и волны-убийцы», — сказал профессор Боуэн. «Но эти установки охватывают лишь малую часть сложности волн, встречающихся в природе.

«Турбулентность и нелинейное волновое движение формируют погоду, климат и даже эффективность технологий чистой энергии, таких как ветряные электростанции. Наше миниатюрное устройство усиливает нелинейности, которые вызывают это сложное поведение, более чем в 100 000 раз. Возможность изучать эти эффекты в масштабе чипа — с квантовой точностью — может изменить то, как мы их понимаем и моделируем».

Профессор Боуэн добавил, что разработка Университета Квинсленда открывает путь к программируемой гидродинамике: «Поскольку геометрия и оптические поля в этой системе создаются с использованием тех же методов, что и для полупроводниковых чипов, мы можем с необычайной точностью конструировать эффективную гравитацию, дисперсию и нелинейность жидкости.

«Будущие эксперименты могут использовать эту технологию для открытия новых законов гидродинамики и ускорения проектирования технологий — от турбин до корпусов кораблей. Эксперименты на этой крошечной платформе улучшат нашу способность предсказывать погоду, исследовать каскады энергии и даже динамику квантовых вихрей — вопросы, центральные как для классической, так и для квантовой механики жидкости».

Миниатюризация экспериментальных установок открывает новые горизонты в физике. Например, использование сверхтекучего гелия позволяет изучать квантовые эффекты, которые невозможно наблюдать в обычных жидкостях. Эта работа может найти применение не только в фундаментальной науке, но и в практических областях, таких как проектирование более эффективных энергетических систем и улучшение климатических моделей.