Kiselnanopartiklar stabiliserades längs de kvantiserade virvelkärnorna. Kredit:Minowa, Yosuke
Forskare från Graduate School of Engineering Science vid Osaka University har visat hur kiselnanopartiklar kan fångas inuti virvlarna som bildas inuti superfluid helium. Detta arbete öppnar för nya möjligheter inom optisk forskning för andra kvantegenskaper hos superfluid helium, såsom optisk manipulation av kvantiserade virvlar på grund av den starka interaktionen mellan ljus och kiselnanopartiklar.
Kvantmekanikens regler kan verka väldigt främmande för oss, med partiklar som ibland fungerar som vågor och vice versa. Normalt förväntar vi oss att konstigt kvantbeteende begränsas till mycket små skalor. Men när vissa material, som helium-4, kyls till mycket låga temperaturer, har vågigheten effekter som är uppenbara även på makroskopiska skalor.
Detta "superkylda" helium är ett exempel på en Bose-Einstein-kondensation, där vågorna som representerar atomerna överlappar varandra tills hela vätskan fungerar nästan som en enda partikel. Denna process har ingen klassisk analog och är ett användbart system för att testa teorier om kvantmekanik, eftersom övergången till en superfluid i helium-4 sker vid relativt lättillgängliga temperaturer. Det finns dock fortfarande ett behov av att kunna visualisera supervätskans rörelse.
Nu har ett team av forskare under ledning av Osaka University använt nanopartiklar av kisel för att visa egenskaperna hos superfluid helium, liknande det att kasta småsten för att visualisera vattenflödet i ett vattenfall. "Vi kunde tillhandahålla direkta experimentella bevis för att täta kiselnanopartiklar attraheras av kvantiserade virvlar och stabiliseras längs virvelkärnan", säger första författaren Yosuke Minowa.
En av de speciella egenskaperna hos superfluid helium är att varje rotationsrörelse endast kan ske i form av kvantiserade virvlar. Dessa är små, diskreta bubbelpooler som var och en har en bestämd mängd vinkelmoment. Forskarna använde nanopartikeltekniken för att studera processen med virvelåterkoppling, där linjer av virvlar smälter samman och byter ut sina delar. På grund av ljusspridningen från nanopartiklarna var virvellinjerna tydligt synliga.
Schema över kvantiserad virvelåterkoppling. Kredit:Minowa, Yosuke
"Vår föreslagna teknik gör det möjligt för oss att använda många olika material som spårpartiklar av kvantiserade virvlar," förklarar Minowa. Att studera kvantiserade virvlar i superfluid helium kan hjälpa forskare att bättre förstå mer exoteriska kvantsystem, som den kritiska strömmen i högtemperatursupraledare.
Artikeln "Visualisering av kvantiserad virvelåterkoppling möjlig med laserablation" publicerades i Science Advances . + Utforska vidare
