Исследователи из Университета Квинсленда создали самый маленький в мире волновой резервуар, используя слой сверхтекучего гелия толщиной всего несколько миллионных долей миллиметра на кремниевом чипе меньше рисового зерна.

Исследователи из Университета Квинсленда создали самый маленький в мире волновой резервуар, используя слой сверхтекучего гелия толщиной всего несколько миллионных долей миллиметра на кремниевом чипе меньше рисового зерна. Прорыв, опубликованный 23 октября в журнале Science, позволяет ученым наблюдать экзотические волновые явления, которые существовали только в теории более 50 лет.

Устройство сжимает эксперименты по волновой динамике, которые обычно занимают дни в массивных лабораторных лотках, до миллисекунд сбора данных, одновременно усиливая нелинейные эффекты, управляющие сложным волновым движением, более чем в 100 000 раз по сравнению с традиционными установками.

Революционные наблюдения за волнами

Доктор Кристофер Бейкер, возглавлявший исследование в Школе математики и физики Университета Квинсленда, заявил, что команда наблюдала явления, которые никогда ранее не были видны напрямую. «Мы увидели волны, которые наклонялись назад, а не вперёд, ударные фронты и уединённые волны, известные как солитоны, которые распространялись в виде впадин, а не пиков», — сказал Бейкер. «Это экзотическое поведение было предсказано в теории, но никогда не наблюдалось прежде».

Ключевая инновация заключается в использовании сверхтекучего гелия — квантовой жидкости, которая течёт без сопротивления, в отличие от классических жидкостей, таких как вода, которые становятся неподвижными из-за вязкости на микроскопических масштабах. Чип размером всего 100 микрон в длину — примерно с толщину человеческого волоса — использует лазерный свет как для генерации волн, так и для измерения их поведения посредством оптомеханических взаимодействий.

Трансформация исследований гидродинамики

Профессор Уорвик Боуэн, который возглавляет Квантовую оптическую лабораторию Квинсленда, объяснил, что традиционные волновые лаборатории используют огромные лотки длиной до сотен метров для изучения динамики мелководья, такой как цунами и волны-убийцы, но эти установки «достигают лишь малой доли сложности волн, встречающихся в природе».

Микроскопический волновой лоток достигает чисел Урселла — меры нелинейности волн — превышающих 100 миллионов, что на несколько порядков больше, чем у самых длинных волновых лотков в мире, и сопоставимо с самыми экстремальными земными потоками, включая цунами. «Возможность изучать эти эффекты на масштабе чипа — с квантовой точностью — может преобразовать то, как мы их понимаем и моделируем», — сказал Боуэн.

Исследование открывает возможности для программируемой гидродинамики, где свойства жидкости могут быть спроектированы с исключительной точностью с использованием тех же методов полупроводникового производства, которые применяются для компьютерных чипов. Будущие применения могут революционизировать проектирование технологий от ветряных турбин до корпусов кораблей и улучшить модели прогнозирования погоды путём углубления понимания турбулентности и нелинейного волнового движения, которые формируют климатические системы.

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ady3042