I en ny studie, forskare vid Indian Institute of Science (IISc) har experimentellt visat att det finns två arter av få elektronbubblor (FEB) i superfluid helium för första gången. Dessa FEB kan fungera som en användbar modell för att studera hur elektronernas energitillstånd och interaktioner mellan dem i ett material påverkar dess egenskaper.

I teamet ingick Neha Yadav, en före detta Ph.D. student vid institutionen för fysik, Prosenjit Sen, Docent vid Center for Nano Science and Engineering (CeNSE) och Ambarish Ghosh, Professor vid CeNSE. Studien publicerades i Vetenskapens framsteg .

En elektron som injiceras i en superflytande form av helium skapar en enda elektronbubbla (SEB) – en hålighet som är fri från heliumatomer och som bara innehåller elektronen. Bubblans form beror på elektronens energitillstånd. Till exempel, bubblan är sfärisk när elektronen är i grundtillståndet (1S). Det finns också MEB - flera elektronbubblor som innehåller tusentals elektroner.

FEB, å andra sidan, är nanometerstora kaviteter i flytande helium som bara innehåller en handfull fria elektroner. Numret, tillstånd och interaktioner mellan fria elektroner dikterar de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos material. Studerar FEB, därför, skulle kunna hjälpa forskare att bättre förstå hur vissa av dessa egenskaper uppstår när ett fåtal elektroner som finns i ett material interagerar med varandra. Enligt författarna, att förstå hur FEB bildas kan också ge insikter i självmontering av mjuka material, vilket kan vara viktigt för att utveckla nästa generations kvantmaterial. Dock, forskare har bara teoretiskt förutspått förekomsten av FEB hittills. "Vi har nu experimentellt observerat FEB för första gången och förstått hur de skapas, " säger Yadav. "Det här är fina nya föremål med stora implikationer om vi kan skapa och fånga dem."

Yadav och kollegor studerade stabiliteten hos MEB vid nanometerstorlekar när de serendipitiskt observerade FEB. Initialt, de var både upprymda och skeptiska. "Det tog ett stort antal experiment innan vi blev säkra på att dessa föremål verkligen var FEB:s. Sedan var det verkligen ett oerhört spännande ögonblick, säger Ghosh.

Forskarna applicerade först en spänningspuls på en volframspets på ytan av flytande helium. Sedan genererade de en tryckvåg på den laddade ytan med hjälp av en ultraljudsgivare. Detta gjorde det möjligt för dem att skapa 8EB och 6EB, två arter av FEB som innehåller åtta respektive sex elektroner. Dessa FEB visade sig vara stabila i minst 15 millisekunder (kvantförändringar sker vanligtvis på mycket kortare tidsskalor) vilket skulle göra det möjligt för forskare att fånga och studera dem.

"FEB bildar ett intressant system som har både elektron-elektron-interaktion och elektron-yta-interaktion, " förklarar Yadav.

Det finns flera fenomen som FEB kan hjälpa forskare att dechiffrera, såsom turbulenta flöden i supervätskor och trögflytande vätskor, eller värmeflödet i superfluid helium. Precis som hur ström flyter utan motstånd i supraledande material vid mycket låga temperaturer, superfluid helium leder också värme effektivt vid mycket låga temperaturer. Men defekter i systemet, kallas virvlar, kan sänka dess värmeledningsförmåga. Eftersom FEB är närvarande i kärnan av sådana virvlar - som författarna har funnit i den här studien - kan de hjälpa till att studera hur virvlarna interagerar med varandra såväl som värme som strömmar genom det superfluidiska heliumet.

"Inom den närmaste framtiden, vi skulle vilja veta om det finns några andra arter av FEB, och förstå de mekanismer genom vilka vissa är mer stabila än andra, " säger Ghosh. "På lång sikt, vi skulle vilja använda dessa FEB som kvantsimulatorer, för vilka man behöver utveckla nya typer av mätsystem."