Hemmeligheder for superflydende helium udforsket

Da Cornell -fysikerne Robert Richardson, David Lee og Douglas Osheroff modtog Nobelprisen i 1996 for deres opdagelse af flydende heliums superflydende tilstand, det var kun begyndelsen. Nu er et nyt team af Cornell -forskere, bygge videre på det arbejde, har fundet nye kompleksiteter i fænomenet, med konsekvenser for studiet af superledning og teoretiske modeller for universets oprindelse.

"Vi ville se nye faseovergange, "sagde Jeevak Parpia, professor i fysik. Som det viste sig, han oplevede en mere "effektiv" overgang i forhold til enhver, der blev observeret før i helium.

Resultaterne offentliggøres 3. juli i tidsskriftet Naturkommunikation . Parpia og hans forskningsgruppe samarbejdede med en gruppe ledet af John Saunders, professor i fysik, på Royal Holloway, University of London.

Når isotopen af ​​helium kendt som helium-3 afkøles til 3,2 grader over det absolutte nul, skifter det fra gas til væske-hvad fysikere kalder en "tilstandsændring". Afkøl det yderligere - til omkring en tusindedel af graden over det absolutte nul - og det bliver en "superfluid", der kan flyde uden modstand fra omgivelserne. Hvis du lægger noget af det i en cirkulær kanal og begynder at flyde rundt i cirklen, det vil flyde for evigt, ikke bremset af friktion. Denne opførsel af helium er af stor interesse, fordi elektroner i en superleder også opfører sig som et superfluid, flyder uden modstand fra atomerne i lederen.

For at lede efter overgangen, Parpias forskningsgruppe brugte Cornell NanoScale Science and Technology Facility til at lave et "torsionspendel" -hoved, en siliciumdisk 14 millimeter i diameter, hvor de ætsede en cirkulær kanal 3,5 mm bred, tilføjelse af et glasdæksel for at gøre hulrummet 1,08 mikron (milliontedele af en meter) højt. Ved at dreje disken frem og tilbage får det superflydende helium til at flyde rundt i hulrummet, og den mængde, der er overflødig, kan observeres som en ændring i oscillationsperioden for disken.

Forskerne observerede de to faser af superfluiditet, som Richardson, Lee og Osheroff havde rapporteret, kaldet A og B. De fandt også ud af, at A -fasen kunne være "superafkølet", men ingen steder så meget som den kan i større, omfangsrige eksperimenter.

Et eksempel på superafkøling kan ses, når vand afkøles under frysepunktet, mens det stadig er væske tilbage. Men smid en lille smule is eller endda noget støv i for at danne et "kernedannelsespunkt, "og vandet vil fryse, breder sig derfra.

I Cornell -eksperimentet, helium afkølet i nogle tilfælde under den temperatur, ved hvilken A til B -overgangen forventedes, men forblev i A -fasen, selvom det spontant kan overgå til B. I store systemer menes en sådan spontan overgang at forekomme på grund af en kosmisk stråle eller anden lokal stråling, der kom ind i prøven for at fungere som et kernedannelsespunkt, eller det udløses af vibrationer. Eller måske, teoretikere havde foreslået, der kan være andre mellemfaser, vi stadig ikke har identificeret, der hjælper overgangen til at ske ved en proces kaldet "resonant tunneling".

Parpia valgte et nanofabrikeret apparat for at studere effekten af ​​indespærring. I en superleder, elektroner slutter sig til "Cooper -par", der er magnetisk neutrale og ikke vil interagere med kerner i lederen. Tilsvarende heliumatomer i det neutrale superflydende par op, kredser rundt om hinanden som vægte for enden af ​​en snor, der bliver kastet rundt i luften. Forskerne satte højden på væskekanalen til at være sammenlignelig med et par af parringsafstandslængderne, så interaktion mellem parene og væggene ændrer balancen mod A -fasen over B -fasen. Om der findes nye faser under disse betingelser er endnu ikke klart, men bør afsløres i yderligere undersøgelser, sagde forskerne, der vil teste virkningerne af forskellige grader af indeslutning.

Hvis mellemfasernes rolle udvises, sagde forskerne, dette kan hjælpe kosmologer med at forklare og modellere, hvordan universet udviklede sig "effektivt" i en række faseovergange i øjeblikke efter Big Bang.