Благородный газ гелий становится жидким при температуре минус 269 градусов по Цельсию. Ниже минус 271 градуса возникает квантовый эффект, благодаря которому жидкий гелий теряет все внутреннее трение и становится сверхтекучим.
В этом экзотическом состоянии он может даже ползать по стенам. Чтобы исследовать динамику сверхтекучего гелия, ученые просвечивали крошечные нанокапли гелия рентгеновскими лучами с помощью самого мощного в мире рентгеновского лазера — Linac Coherent Light Source LCLS в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Калифорнии.Производство холодных капель в среднем размером от 0,2 до 2 тысячных миллиметра было непростой задачей. Ученые распыляли жидкий гелий через тонкое сопло в вакуумную камеру.
Часть гелия по пути испарилась, а оставшаяся часть капли продолжала охлаждаться за счет испарительного охлаждения. «Пройдя несколько миллиметров, капли достигли сверхтекучего состояния и были поражены интенсивной рентгеновской лазерной вспышкой ниже по потоку», — объясняет ученый DESY Дэниел Роллес из Центра исследований лазеров на свободных электронах CFEL, совместного объекта, управляемого компанией DESY, Гамбургский университет и Общество Макса Планка.Особенно детальная запись диаграмм рассеяния рентгеновских лучей нанокапель стала возможной с использованием экспериментальной вакуумной камеры CAMP, разработанной Max Planck Group в Гамбурге на CFEL. «У CAMP есть два больших детектора, которые могут даже регистрировать отдельные фотоны и могут очень точно определять их энергию», — подчеркивает Бенджамин Эрк из CFEL. «При этом детекторы создают серию из 120 изображений в секунду».
«Анализ изображений показывает, что удивительное количество капель не были сферическими, как ожидалось, а были вытянуты в длину за счет быстрого вращения», — говорит Роллес. «Фактически, некоторые капли имели форму, больше напоминающую толстое колесо с двумя почти параллельными сторонами». Вращение связано с расширением жидкого гелия внутри сопла, через которое они попадают в экспериментальную камеру. Капли вращались со скоростью до четырнадцати миллионов раз в секунду — намного быстрее, чем могла выдержать обычная круглая капля в соответствии с законами классической физики.Из-за быстрого вращения внутри нанокапель образовались крошечные «квантовые вихри», напоминающие миниатюрный водоворот, кружащийся вокруг слива ванны.
Это явление уже наблюдалось в более крупных единицах сверхтекучего гелия, но только сейчас впервые было обнаружено в нанокаплях. Как отмечалось ранее, вихри образуют правильную решетку. «В нанокаплях квантовые вихри на удивление в 100 000 раз плотнее упакованы, чем в более крупных образцах сверхтекучего гелия, которые были ранее исследованы», — говорит Вилесов.
«То, что мы наблюдали в этом эксперименте, действительно удивительно», — подчеркивает один из руководителей SLAC Кристофер Бостедт. Третий соруководитель эксперимента, Оливер Гесснер из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, добавляет: «Теперь, когда мы показали, что можем обнаруживать и охарактеризовать квантовое вращение в нанокаплях гелия, будет важно понять его происхождение и, в конечном итоге, попробовать и контролировать это ".