Fysiker har studerat superfluid ³ Han har varit instängd i nanoskala i flera år nu, eftersom denna unika vätska presenterar ett rikt utbud av faser med komplexa ordningsparametrar som kan stabiliseras. Medan tidigare studier har samlat många intressanta observationer, en komplett och tillförlitlig bild av superfluid ³ Han häktad har ännu inte uppnåtts.

Forskare vid University of Alberta har nyligen tagit ett stort steg framåt i denna riktning, genom att introducera nya fasdiagram av superfluid ³ Han under varierande grad av enaxlig instängdhet. Deras papper, publicerad i Fysiska granskningsbrev , kunde belysa den progressiva stabiliteten hos den exotiska vätskans A-fas, samtidigt som den avslöjar en växande region med stabilt vågtillstånd för pardensitet.

"Idén till det här projektet såddes ända tillbaka i mitten av 2000-talet när jag var doktorand vid Northwestern University, "John Davis, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Jag arbetade med prof. William Halperin, gör experimentella studier av superfluid ³ Han, medan en doktorand vid namn Anton Vorontsov i prof. Jim Sauls grupp, nu professor vid Montana State University, utforskade idéer kring superfluid ³ Han är fängslad."

Idéerna som utvecklades av Vorontsov för över ett decennium sedan kulminerade i två intressanta teoretiska artiklar, publicerad 2005 och 2007. Den första artikeln förutspådde bildandet av en "domänvägg" mellan två typer av superfluid. I fysik, domänväggar är kända, bland annat, för att separera mikroskopiska domäner i ferromagnetiska material och inriktningen av magnetiska domäner leder slutligen till makroskopisk ferromagnetism. Dock, idén om domänväggar som separerar två regioner av en vätska är mycket mindre intuitiv och är därför något lockande.

"Vorontsovs papper från 2007 tog den här idén ännu längre och förutspådde att inom ett visst antal påtryckningar, temperaturer, och fängelse, dessa domänväggar kan bli arrangerade och bilda en 'superflytande kristall, '" sa Davis. "Denna idé om ett material som har både den regelbundna rumsliga strukturen hos en kristall och superflödesegenskaperna hos en supervätska har fascinerat mig sedan dess."

Idén som introducerades av Vorontsov påminner delvis om supersolider, ett ämne som väckte stort intresse inom fysikområdet för några år sedan. Dock, det nya tillståndet han beskrev börjar inte som ett fast tillstånd, utan snarare som en vätska. Det är alltså mycket mer likt det som observeras i flytande kristaller, som kan ha rumslig ordning som liknar fasta ämnen och ändå förbli vätskeliknande. På samma sätt som dessa kallas "flytande kristaller", därför, Vorontsovs förutsägelse skulle kunna kallas en "superflytande kristall".

I deras senaste tidning, Davis och hans kollegor bestämde sig för att använda den mer generiska termen "pardensitetsvåg", för att minimera kontroverser. Oavsett vilken term de använde, deras mål var att söka upp det kristallina ordnade superfluid tillståndet som infördes av Vorontsov.

"Från den tidpunkt då denna tidning från 2007 publicerades, Jag har sakta byggt upp mot att utföra det här experimentet." sa Davis. "Sedan 2010, min oberoende forskargrupp har byggt infrastrukturen för att kyla vätska ³ Han till de sub-millikelvin temperaturer som krävs, bygga de termometrar som behövs för att mäta dessa temperaturer och uppfinna experimentella tekniker för att mäta egenskaperna hos supervätskor under inneslutning."

För att identifiera nya experimentella metoder för att mäta egenskaperna hos supervätskor under inneslutning, forskarna började använda moderna nanotillverkningstekniker. Dessa tekniker tillät dem att begränsa ³ Han till nanoskalan, vilket är det som i slutändan skiljer deras experiment från andra som utförts i det förflutna.

"Vi snubblade faktiskt över tekniken som vi använde i vår studie, den av mekanisk resonans, av misstag, " förklarade Davis. "Vi använder något som kallas Helmholtz-resonans, vilket betyder att det är en mekanisk resonans av en vätska. Detta liknar den visselpipa du får när du blåser över toppen av en ölflaska. Denna visselpipa är ett massfjädersystem, med massan som vätskan i flaskans hals och fjädern är komprimerbarheten för ölet i flaskan."

I likhet med vad som händer när man blåser över toppen av en ölflaska, tekniken som används av Davis och hans kollegor resulterar i ett massfjädersystem helt sammansatt av superfluid. Frekvensen av den resulterande visselpipan kan då fungera som ett mått på superfluidtillståndets egenskaper.

Forskarna avslöjade denna mekaniska resonans av en slump i ett av sina tidigare experiment. När de väl förstod vad det var, de insåg att det kunde hjälpa dem att nå sina forskningsmål.

"Vi tillbringade många år med att förfina den här tekniken, tills i januari 2019 två av mina labbmedlemmar, Doktoranden Alex Shook och postdoktor Vaisakh Vadakkumbatt, iväg för att slutligen söka efter detta superflytande kristalltillstånd i vätska ³ Han, " sa Davis. "Så fort data började rulla in, Jag visste att vi var inne på något stort. Men för att vara riktigt säker, dessa killar tillbringade månader och månader med att förfina datainsamlingen och se till att vår termometri var korrekt."

När man försöker beräkna de förväntade faserna baserat på deras observationer, forskarna kunde inte lita på tidigare studier, eftersom deras experimentella teknik gjorde det möjligt för dem att utforska ett bredare spektrum av tryck och inneslutningar än de som rapporterats i tidigare arbeten, så teorier som stöder deras observationer fanns ännu inte. De bestämde sig därför för att dela sina observationer med en annan forskargrupp ledd av prof. Joseph Maciejko, som hjälpte dem att utföra nödvändiga beräkningar.

"Prof Maciejkos student Pramodh Senarath Yapa utförde beräkningar av de förväntade fasövergångarna under samma förhållanden som våra experiment, men vi gjorde det här på ett slags "dubbelblind" sätt, ", förklarade Davis. "Vi gav Pramodh begränsningarna som motsvarar våra experiment och vilka tryck- och temperaturområden vi undersökte, men avslöjade inte våra exakta övergångstemperaturer. Istället, Pramodh gjorde beräkningarna och Alex Shook gjorde den experimentella analysen och konstruktionen av fasdiagrammen och en dag i en stor avslöjande satte vi ihop dem."

Överensstämmelsen mellan resultaten av beräkningar utförda av Pramodh och fasdiagrammen som tagits fram av Shook var anmärkningsvärd, med noll justerbara parametrar. Forskarna kunde därmed få viktig ny insikt om den progressiva stabiliteten hos A fas i supervätska ³ Han, samtidigt som det framhäver en växande region av vågtillståndet med stabil pardensitet.

Även om detta är djupt grundläggande fysik, utforska vad det innebär att ha ett tillstånd som har rumslig ordning, som en kristall, men det är också en övervätska, kan få viktiga konsekvenser för andra system för kondenserad materia. Till exempel, ett liknande vågtillstånd partäthet undersöks för närvarande i högtemperatursupraledare, så att forskarnas arbete kan påverka arbetet även inom det området.

"För mig, den mest meningsfulla delen av denna erfarenhet har varit att förstärka nästa generations forskare, sådan Alex, Vaisakh och Pramodh, den där övervätskan ³ Han är ett intensivt intressant system, " sa Davis. "Det är ett så rikt och rent system, med mycket kvar att utforska. Jag kan bara hoppas att några av läsarna av vår tidning också får den här känslan och kanske hittar några av dem till att studera superfluid ³ Han."

Ytterligare en intressant aspekt av studien utförd av Davis och hans kollegor är att den utforskar hur man vrider på en experimentell "ratt", såsom instängning, faktiskt kan skapa nya stater. De "rattar" som vrids i experimentell fysik inkluderar vanligtvis saker som tryck, temperatur eller magnetfält.

Davis och hans team, å andra sidan, kunde kontrollera superfluidens fysik ³ Han använder nanoskala inneslutning, vilket är en ny praxis inom detta forskningsområde. Det kan finnas andra system där inneslutning spelar en viktig roll och dessa skulle också kunna undersökas med liknande tekniker.

"Detta är egentligen bara början på detta forskningsprojekt, ", tillade Davis. "I våra nästa studier, vi vill verkligen använda vår teknik för att studera dessa domänväggar i detalj. Jag skulle vilja karakterisera dem och förstå exakt deras form."

I deras framtida arbete, forskarna planerar att undersöka om det kan finnas någon ny fysik inom domänväggarna. De skulle också vilja "fingeravtrycka" de olika tillstånden i sina fasdiagram, för att visa att de kan förstå egenskaperna hos de faser som de beskrev i detalj.

"På min sida superflytande ³ Han var också av intresse som ett exempel på materiens topologiska fas (mitt huvudsakliga forskningsområde), som tros vara värd för exotiska excitationer som kallas Majorana-fermioner, "Joseph Maciejko, en annan forskare involverad i studien, berättade för Phys.org. "När det gäller framtida forskning, samspelet mellan superfluid kristallin ordning och Majorana-fysik är något jag är mycket intresserad av att studera, och detta borde vara experimentellt tillgängligt i det här systemet."

© 2020 Science X Network