Теперь большая международная группа исследователей под руководством ученых из Университета Южной Калифорнии, Стэнфорда и Беркли использовала рентгеновские лучи лазера на свободных электронах, чтобы заглянуть внутрь отдельных капель жидкого гелия, чтобы выяснить, сохраняет ли этот жидкий гелий свои сверхтекучие характеристики даже при микроскопических условиях. чешуйки — например, в крошечных каплях гелиевого тумана.«Один из способов проявления сверхтекучести — это образование квантовых вихрей, но они никогда не наблюдались экспериментально в каплях», — сказал Андрей Вилесов, профессор химии и физики Колледжа литературы, искусства и науки Университета Калифорнии в Дорнсайфе и соавторы.
Автор-корреспондент исследования, которое появится в Science 22 августа.Соавторами-корреспондентами Вилесова являются Кристоф Бостедт, старший научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории SLAC, и Оливер Гесснер из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.Команда обнаружила, что квантовые вихри или водовороты образуются во вращающихся нанокаплях гелия в беспрецедентных количествах, что приводит к экстремальной деформации капель в плоские диски, напоминающие толстый блин. Кроме того, группа также заметила аномально большое количество вихрей в каплях, что указывает на то, что они даже ведут себя иначе, чем другие сверхтекучие жидкости.
«Теперь мы можем изучать эту форму материи новым способом, который позволяет нам увидеть, как квантовая механика проявляется в движении изолированной сверхтекучей жидкости», — сказал Гесснер.Если капля нормальной жидкости вращается, центробежная сила отталкивает жидкость от центра, что приводит к экваториальной и полярной деформации — так же, как вращение Земли заставляет ее немного отклоняться от идеальной сферы. Если планета вращается достаточно быстро, она принимает форму арахиса, прежде чем разлететься на части, не в силах выдержать напряжение собственного движения.
Вращающийся сверхтекучий гелий аналогичным образом искажает свою форму, но также образует соты, состоящие из бесчисленных квантовых вихрей, в отличие от одиночного вихря, образованного в нормальной жидкости. Отсутствие вязкости в сверхтекучей жидкости позволяет этим вихрям существовать бесконечно долго.
Таким образом, в сверхтекучей капле вращение равномерно распределено в вихрях, что позволяет капле выдерживать потрясающе большие скорости вращения без образования лепестков или распада.«Несмотря на то, что это жидкость, существует более высокая степень порядка — и мы смогли это представить. Это намного превосходит то, что люди изначально думали, что могут делать лазеры на свободных электронах», — сказал Бостедт.
Некоторые предполагают, что изучение сверхтекучих жидкостей может помочь понять происхождение Вселенной; в моменты, последовавшие за Большим взрывом, Вселенная была однородной по плотности и подобна сверхтекучей жидкости. Создание флуктуаций плотности в форме квантовых вихрей может быть причиной раннего образования галактик.«Космос скрывается внутри каждой капли гелия, и мы заглянули внутрь более 10 000 из них», — сказал Кертис Джонс, аспирант Университета Южной Калифорнии.
Вилесов и его коллеги также планируют изучить, как присутствие квантовых вихрей влияет на химические реакции и формирование кластеров внутри нанокапелек гелия.Это исследование финансировалось Национальным научным фондом (грант CHE-1112391), Министерством энергетики США (контракт № DE-AC02-05CH11231) и Обществом Макса Планка.