Использование наночастиц кремния для визуализации слияния квантованных вихрей в сверхтекучем гелии
Ученые из Высшей школы инженерных наук Университета Осаки показали, как наночастицы кремния могут захватывать вихри, образующиеся внутри сверхтекучего гелия. Эта работа открывает новые возможности в оптических исследованиях других квантовых свойств сверхтекучего гелия, таких как оптическое управление квантованными вихрями из-за сильного взаимодействия между светом и наночастицами кремния.
Наночастицы кремния, стабилизированные вдоль квантованных ядер вихрей. Кредит: Минова, Йоске
Правила квантовой механики могут показаться нам очень чуждыми, с частицами, которые иногда ведут себя как волны, и наоборот. Обычно мы ожидаем, что странное квантовое поведение будет ограничено очень маленькими масштабами. Однако, когда некоторые материалы, такие как гелий-4, охлаждаются до очень низких температур, эффект волнистости проявляется даже в макроскопических масштабах.
Этот «переохлажденный» гелий является примером конденсации Бозе-Эйнштейна, в которой волны, представляющие атомы, перекрываются до тех пор, пока вся жидкость не будет вести себя почти как одна частица. Этот процесс не имеет классического аналога и является полезной системой для проверки теорий квантовой механики, поскольку переход в сверхтекучее состояние в гелии-4 происходит при относительно доступных температурах. Однако по-прежнему необходимо уметь визуализировать движение сверхтекучей жидкости.
Теперь группа исследователей во главе с Университетом Осаки использовала наночастицы кремния, чтобы показать особенности сверхтекучего гелия, подобно бросанию камешков, чтобы помочь визуализировать поток воды в водопаде. «Мы смогли предоставить прямые экспериментальные доказательства того, что плотные наночастицы кремния притягиваются к квантованным вихрям и стабилизируются вдоль ядра вихря», — говорит первый автор Йосуке Минова.
Одно из особых свойств сверхтекучего гелия состоит в том, что любое вращательное движение может происходить только в виде квантованных вихрей. Это крошечные дискретные водовороты, каждый из которых несет фиксированное количество углового момента. Ученые использовали технику наночастиц для изучения процесса повторного соединения вихрей, при котором линии вихрей сливаются и обмениваются своими частями. Из-за рассеяния света наночастицами вихревые линии были хорошо видны.
Схема квантованного пересоединения вихрей. Кредит: Минова, Йоске
«Предложенный нами метод позволяет использовать множество различных материалов в качестве трассирующих частиц квантованных вихрей», — объясняет Минова. Изучение квантованных вихрей в сверхтекучем гелии может помочь ученым лучше понять более экзотерические квантовые системы, такие как критический ток в высокотемпературных сверхпроводниках.
Статья «Визуализация пересоединения квантованных вихрей с помощью лазерной абляции» была опубликована в журнале Science Advances.
