Рентгеновский лазер исследует крошечные квантовые торнадо в сверхтекучих каплях

Выводы международной исследовательской группы позволяют по-новому взглянуть на странные наноразмерные характеристики так называемого «сверхтекучего» состояния жидкого гелия. Когда он охлаждается до крайности, жидкий гелий ведет себя в соответствии с правилами квантовой механики, которые применяются к материи на мельчайших масштабах и противоречат законам классической физики. Это сверхтекучее состояние — один из немногих примеров квантового поведения в крупном масштабе, которое упрощает изучение и изучение поведения.

Результаты, подробно изложенные в августовском. 22 выпуск журнала Science, может помочь пролить свет на аналогичные квантовые состояния, например, в сверхпроводящих материалах, которые проводят электричество со 100-процентной эффективностью, или на странные коллективы частиц, получившие название конденсатов Бозе-Эйнштейна, которые действуют как единое целое.
"То, что мы обнаружили в этом эксперименте, было действительно удивительным. Мы не ожидали красоты и ясности результатов », — сказал Кристоф Бостедт, соруководитель эксперимента и старший научный сотрудник Linac Coherent Light Source (LCLS) SLAC, пользовательского центра Управления науки Министерства энергетики США, где проводился эксперимент.

«Мы смогли увидеть проявление квантового мира в макроскопическом масштабе», — сказал Кен Фергюсон, аспирант Стэнфордского университета, работающий в LCLS.
По словам Фергюсона, хотя крошечные торнадо и раньше наблюдались в охлажденном гелии, они не наблюдались в таких крошечных каплях, где они были упакованы в 100000 раз плотнее, чем в любом предыдущем эксперименте со сверхтекучими жидкостями.

Изучение квантовых свойств сверхтекучей жидкости

Гелий можно охладить до точки, при которой он превращается в вещество без трения, которое остается жидким значительно ниже точки замерзания большинства жидкостей. Легкие, слабо притягивающие атомы имеют бесконечное колебание — квантовое состояние вечного движения, которое не дает им замерзнуть. Уникальные свойства сверхтекучего гелия, за которые было присуждено несколько Нобелевских премий, позволяют ему покрывать и взбираться по стенкам контейнера, а также просачиваться через отверстия размером с молекулу, которые удерживались бы в той же жидкости при более высоких температурах.
В эксперименте LCLS исследователи выбросили тонкий поток капель гелия, похожий на нить наноразмерного жемчуга, в вакуум.

Каждая капля приобрела вращение, когда вылетела из струи, вращаясь со скоростью до 2 миллионов оборотов в секунду, и остыла до температуры, более холодной, чем в космосе. Рентгеновский лазер делал снимки отдельных капель, обнаруживая десятки крошечных твистеров, называемых «квантовыми вихрями», с закрученными ядрами шириной с атом.

Быстрое вращение охлажденных нанокапелек гелия привело к формированию плотной трехмерной структуры вихрей с регулярными интервалами. Это экзотическое образование, напоминающее упорядоченную структуру твердого кристалла и являющееся доказательством квантового состояния капель, сильно отличается от одинокого водоворота, который может образоваться в обычной жидкости, такой как быстро перемешанная чашка кофе.
Больше сюрпризов в магазине

Исследователи также обнаружили удивительные формы в некоторых сверхтекучих каплях. В обычной жидкости капли могут образовывать арахисовую форму при быстром вращении, но сверхтекучие капли принимают совсем другую форму. Около 1 процента из них образовали неожиданные колесообразные формы и достигли скорости вращения, никогда ранее не наблюдаемой для их классических аналогов.

Оливер Гесснер, старший научный сотрудник лаборатории Лоуренса в Беркли и соруководитель эксперимента, сказал: «Теперь, когда мы показали, что можем обнаружить и охарактеризовать квантовое вращение в нанокаплях гелия, будет важно понять его происхождение и, в конечном итоге, , чтобы попытаться контролировать это."

Андрей Вилесов из Университета Южной Калифорнии, третий соруководитель эксперимента, добавил: «Эксперимент превзошел наши самые лучшие ожидания. Достижение доказательства наличия вихрей, их конфигурации в каплях и формы вращающихся капель было возможно только с помощью визуализации LCLS."
Он сказал, что дальнейший анализ данных LCLS должен дать более подробную информацию о форме и расположении вихрей: «Определенно, впереди будет больше сюрпризов."

Другие соавторы исследования были из Стэнфордского института PULSE; Калифорнийский университет в Беркли; Общество Макса Планка; Центр лазерной науки на свободных электронах в DESY; PNSensor GmbH; Китайский университет Гонконга; и Канзасский государственный университет. Работа поддержана Национальным научным фондом США.S.

Министерство энергетики, Управление науки (фундаментальные энергетические науки) и Общество Макса Планка.

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.