Nye fasediagrammer af superfluid helium under varierende grader af indeslutning

Fysikere har studeret superfluid ³ Han har været indespærret i nanoskala i flere år nu, da denne unikke væske præsenterer et rigt udvalg af faser med komplekse ordensparametre, der kan stabiliseres. Mens tidligere undersøgelser har samlet mange interessante observationer, et komplet og pålideligt billede af superfluid ³ Han under fængsling er endnu ikke nået.

Forskere ved University of Alberta har for nylig taget et stort spring fremad i denne retning, ved at introducere nye fasediagrammer af superfluid ³ Han under forskellige grader af enakset indespærring. Deres papir, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , kunne kaste lys over den progressive stabilitet af den eksotiske væskes A-fase, mens den også afslører et voksende område med stabil pardensitetsbølgetilstand.

"Idéen til dette projekt blev sået helt tilbage i midten af ​​2000'erne, da jeg var ph.d.-studerende ved Northwestern University, "John Davis, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Jeg arbejdede sammen med prof. William Halperin, laver eksperimentelle undersøgelser af superfluid ³ Han, mens i gruppen af ​​prof. Jim Sauls en ph.d.-studerende ved navn Anton Vorontsov, nu professor ved Montana State University, udforskede ideer omkring superfluid ³ Han er fængslet."

Idéerne udviklet af Vorontsov for over ti år siden kulminerede i to interessante teoretiske artikler, udgivet i 2005 og 2007. Det første papir forudsagde dannelsen af ​​en 'domænevæg' mellem to typer superfluid. I fysik, domænevægge er kendt, blandt andet, til adskillelse af mikroskopiske domæner i ferromagnetiske materialer og justering af magnetiske domæner fører i sidste ende til makroskopisk ferromagnetisme. Imidlertid, ideen om domænevægge, der adskiller to områder af en væske, er langt mindre intuitiv og er derfor noget fristende.

"Vorontsovs papir fra 2007 tog denne idé endnu længere og forudsagde, at i en vis række af pres, temperaturer, og indespærring, disse domænevægge kunne blive arrangeret og danne en 'superflydende krystal, '" sagde Davis. "Denne idé om et materiale, der har både den regulære rumlige struktur af en krystal og superflydende egenskaber, har fascineret mig lige siden."

Ideen introduceret af Vorontsov minder delvist om supersolider, et emne, der vakte stor interesse inden for fysikområdet for nogle år siden. Imidlertid, den nye tilstand, han beskrev, begynder ikke som en fast tilstand, men snarere som en væske. Det ligner således langt mere det, der observeres i flydende krystaller, som kan have rumlig orden svarende til faste stoffer og alligevel forblive væskelignende. På samme måde som disse omtales som 'flydende krystaller', derfor, Vorontsovs forudsigelse kunne kaldes en 'superflydende krystal'.

I deres seneste avis, Davis og hans kolleger besluttede at bruge det mere generiske udtryk 'pardensitetsbølge', for at minimere kontroverser. Uanset hvilket udtryk de brugte, deres mål var at opsøge den krystallinske ordnede superflydende tilstand introduceret af Vorontsov.

"Fra det tidspunkt, hvor avisen fra 2007 blev offentliggjort, Jeg har langsomt bygget mig op mod at udføre dette eksperiment." sagde Davis. "Siden 2010, min uafhængige forskergruppe har bygget infrastrukturen til at køle væske ³ Han til de krævede temperaturer under millikelvin, at bygge de nødvendige termometre til at måle disse temperaturer og opfinde eksperimentelle teknikker til at måle egenskaberne af supervæsker under indespærring."

For at identificere nye eksperimentelle metoder til at måle egenskaberne af supervæsker under indespærring, forskerne begyndte at bruge moderne nanofabrikationsteknikker. Disse teknikker tillod dem at begrænse ³ Han til nanoskalaen, hvilket er det, der i sidste ende adskiller deres eksperimenter fra andre udførte i fortiden.

"Vi faldt faktisk over den teknik, vi brugte i vores undersøgelse, den af ​​mekanisk resonans, ved et uheld, " forklarede Davis. "Vi bruger noget, der kaldes en Helmholtz-resonans, hvilket betyder, at det er en mekanisk resonans af en væske. Dette svarer til den fløjte, du får, når du blæser hen over toppen af ​​en ølflaske. Denne fløjte er et massefjedersystem, hvor massen er væsken i flaskehalsen, og fjederen er sammentrykkeligheden af ​​øllet i flasken."

Svarende til, hvad der sker, når man blæser hen over toppen af ​​en ølflaske, teknikken brugt af Davis og hans kolleger resulterer i et massefjedersystem, der udelukkende består af superfluid. Frekvensen af ​​den resulterende fløjte kan så fungere som et mål for superfluidtilstandens egenskaber.

Forskerne afslørede denne mekaniske resonans ved et uheld i et af deres tidligere eksperimenter. Når de først forstod, hvad det var, de indså, at det kunne hjælpe dem med at forfølge deres forskningsmål.

"Vi brugte mange år på at forfine denne teknik, indtil i januar 2019 to af mine laboratoriemedlemmer, Ph.d.-studerende Alex Shook og postdoc-stipendiat Vaisakh Vadakkumbatt, afsted for endelig at søge efter denne superflydende krystaltilstand i væske ³ Han, " sagde Davis. "Så snart dataene begyndte at rulle ind, Jeg vidste, at vi var inde i noget stort. Men for at være rigtig sikker, disse fyre brugte måneder og måneder på at forfine dataindsamlingen og sikre, at vores termometri var nøjagtig."

Når man forsøger at beregne de forventede faser baseret på deres observationer, forskerne kunne ikke stole på tidligere undersøgelser, da deres eksperimentelle teknik tillod dem at udforske en bredere vifte af pres og indeslutninger end dem, der er rapporteret i tidligere værker, så teorier, der understøtter deres observationer, eksisterede endnu ikke. De besluttede derfor at dele deres observationer med et andet forskerhold ledet af prof. Joseph Maciejko, som hjalp dem med at udføre de nødvendige beregninger.

"Prof. Maciejkos elev Pramodh Senarath Yapa udførte beregninger af de forventede faseovergange under de samme betingelser som vores eksperimenter, men vi gjorde det på en slags 'dobbeltblind' måde, "Forklarede Davis. "Vi gav Pramodh de indespærringer, der svarer til vores eksperimenter, og hvilke tryk- og temperaturområder vi udforskede, men afslørede ikke vores præcise overgangstemperaturer. I stedet, Pramodh lavede beregningerne, og Alex Shook lavede den eksperimentelle analyse og konstruktion af fasediagrammerne, og en dag i en stor afsløring satte vi dem sammen."

Overensstemmelsen mellem resultaterne af beregninger udført af Pramodh og fasediagrammerne udarbejdet af Shook var bemærkelsesværdig, med nul justerbare parametre. Forskerne var således i stand til at opnå vigtig ny indsigt om den progressive stabilitet af EN fase i supervæske ³ Han, samtidig med at det fremhæver et voksende område af den stabile pardensitetsbølgetilstand.

Selvom dette er dybt grundlæggende fysik, at udforske, hvad det vil sige at have en tilstand, der har rumlig orden, som en krystal, men det er også en supervæske, kan have vigtige konsekvenser for andre kondenserede stofsystemer. For eksempel, en lignende pardensitetsbølgetilstand undersøges i øjeblikket i højtemperatursuperledere, så forskernes arbejde kan også påvirke arbejdet på det område.

"For mig, den mest meningsfulde del af denne oplevelse har været at styrke den næste generation af forskere, sådan Alex, Vaisakh og Pramodh, det overflødige ³ Han er et meget interessant system, " sagde Davis. "Det er sådan et rigt og rent system, med meget tilbage at blive udforsket. Jeg kan kun håbe, at nogle af læserne af vores avis også får denne følelse, og måske vil nogle af dem finde vej til at studere superfluid ³ Han."

Et yderligere interessant aspekt af undersøgelsen udført af Davis og hans kolleger er, at den undersøger, hvordan man drejer en eksperimentel 'knap', såsom indespærring, faktisk kan skabe nye stater. De 'knapper', der drejes i eksperimentel fysik, omfatter typisk ting som tryk, temperatur eller magnetfelt.

Davis og hans team, på den anden side, var i stand til at kontrollere supervæskens fysik ³ Han bruger nanoskala indeslutning, hvilket er en ny praksis inden for dette forskningsområde. Der kan være andre systemer, hvor indespærring spiller en vigtig rolle, og disse kunne også undersøges ved hjælp af lignende teknikker.

"Dette er egentlig kun begyndelsen på dette forskningsprojekt, " tilføjede Davis. "I vores næste undersøgelser, vi ønsker virkelig at bruge vores teknik til at studere disse domænevægge i detaljer. Jeg vil gerne karakterisere dem og forstå præcis deres form."

I deres fremtidige arbejde, forskerne planlægger at undersøge, om der kan være noget ny fysik inden for domænets vægge. De vil også gerne "fingeraftryk" de forskellige tilstande i deres fasediagrammer, for at demonstrere, at de er i stand til at forstå egenskaberne ved de faser, de beskrev i detaljer.

"På min side superflydende ³ Han var også af interesse som et eksempel på topologisk fase af stof (mit hovedområde for forskning), som menes at være vært for eksotiske excitationer kendt som Majorana fermioner, "Joseph Maciejko, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Med hensyn til fremtidig forskning, samspillet mellem superflydende krystallinsk orden og Majorana-fysik er noget, jeg er meget interesseret i at studere, og dette burde være eksperimentelt tilgængeligt i dette system."

© 2020 Science X Network