När Cornell fysiker Robert Richardson, David Lee och Douglas Osheroff fick Nobelpriset 1996 för deras upptäckt av det superfluidiska tillståndet av flytande helium, det var bara början. Nu ett nytt team av Cornell-forskare, bygga vidare på det arbetet, har hittat nya komplexiteter i fenomenet, med implikationer för studiet av supraledning och teoretiska modeller för universums ursprung.
"Vi ville se nya fasövergångar, " sa Jeevak Parpia, professor i fysik. Som det blev, han såg en mer "effektiv" övergång jämfört med någon som tidigare observerats i helium.
Resultaten publiceras den 3 juli i tidskriften Naturkommunikation . Parpia och hans forskargrupp samarbetade med en grupp ledd av John Saunders, professor i fysik, på Royal Holloway, University of London.
När isotopen av helium känd som helium-3 kyls till 3,2 grader över absolut noll, ändras den från gas till vätska – vad fysiker kallar en "tillståndsförändring". Kyl den ytterligare – till ungefär en tusendels grad över absolut noll – och den blir en "supervätska" som kan flöda utan motstånd från omgivningen. Om du lägger en del av det i en cirkulär kanal och börjar rinna runt cirkeln, det kommer att flyta för evigt, inte bromsas av friktion. Heliums beteende är av stort intresse eftersom elektroner i en supraledare också beter sig som en supervätska, flyter utan motstånd från atomerna i ledaren.
För att leta efter övergången, Parpias forskargrupp använde Cornell NanoScale Science and Technology Facility för att göra ett "torsionspendelhuvud", en kiselskiva 14 millimeter i diameter, där de etsat en cirkulär kanal 3,5 millimeter bred, lägga till ett glasskydd för att göra kaviteten 1,08 mikron (miljondels meter) hög. Att rotera skivan framåt och bakåt gör att superfluid helium flyter runt i håligheten, och mängden som är superfluid kan observeras som en förändring i skivans oscillationsperiod.
Forskarna observerade de två faserna av superfluiditet som Richardson, Lee och Osheroff hade rapporterat, kallas A och B. De fann också att A-fasen kunde "underkylas" men ingenstans så mycket som den kan i större, skrymmande experiment.
Ett exempel på underkylning kan ses när vatten kyls under fryspunkten medan det fortfarande finns kvar vätska. Men släng i en liten bit is eller till och med lite damm för att bilda en "kärnbildningspunkt, "och vattnet kommer att frysa, sprider sig därifrån.
I Cornell-experimentet, heliumet kyldes i vissa fall under den temperatur vid vilken övergången A till B förväntades men förblev i A-fasen, även om det spontant kan övergå till B. I stora system tros en sådan spontan övergång inträffa på grund av en kosmisk stråle eller någon annan lokal strålning som kom in i provet för att fungera som en kärnbildningspunkt, eller så utlöses den av vibrationer. Eller kanske, teoretiker hade föreslagit, det kan finnas andra mellanliggande faser som vi fortfarande inte har identifierat som hjälper övergången att ske genom en process som kallas "resonant tunneling".
Parpia valde en nanotillverkad apparat för att studera effekten av inneslutning. I en supraledare, elektroner går samman i "Cooper-par" som är magnetiskt neutrala och kommer inte att interagera med kärnor i ledaren. Liknande, heliumatomer i det neutrala supervätskeparet, kretsar runt varandra som vikter i slutet av ett snöre som kastas snurrande genom luften. Forskarna ställde in höjden på vätskekanalen för att vara jämförbar med några av parningsavståndslängderna, så att växelverkan mellan paren och väggarna ändrar balansen mot A-fasen över B-fasen. Huruvida nya faser existerar under dessa förhållanden är ännu inte klart men bör avslöjas i ytterligare studier, forskarna sa, som kommer att testa effekterna av olika grader av inneslutning.
Om mellanfasernas roll bekräftas, forskarna sa, detta kan hjälpa kosmologer att förklara och modellera hur universum utvecklades "effektivt" i en serie fasövergångar under ögonblicken efter Big Bang.
