Forskere bruger siliciumnanopartikler til at visualisere koalescens af kvantiserede hvirvler, der forekommer i superfluid helium

Forskere fra Graduate School of Engineering Science ved Osaka University har vist, hvordan siliciumnanopartikler kan blive fanget inde i hvirvlerne, der dannes inde i superfluid helium. Dette arbejde åbner nye muligheder inden for optisk forskning for andre kvanteegenskaber af superfluid helium, såsom den optiske manipulation af kvantiserede hvirvler på grund af den stærke interaktion mellem lys og siliciumnanopartikler.

Kvantemekanikkens regler kan virke meget fremmede for os, med partikler, der nogle gange fungerer som bølger og omvendt. Normalt forventer vi, at mærkelig kvanteadfærd er begrænset til meget små skalaer. Men når visse materialer, såsom helium-4, afkøles til meget lave temperaturer, har bølgerne virkninger, der er tydelige selv på makroskopiske skalaer.

Dette "superkølede" helium er et eksempel på en Bose-Einstein kondensation, hvor bølgerne, der repræsenterer atomerne, overlapper hinanden, indtil hele væsken virker næsten som en enkelt partikel. Denne proces har ingen klassisk analog og er et nyttigt system til at teste teorier om kvantemekanik, fordi overgangen til en superfluid i helium-4 sker ved relativt tilgængelige temperaturer. Der er dog stadig et behov for at kunne visualisere supervæskens bevægelse.

Nu har et team af forskere ledet af Osaka University brugt siliciumnanopartikler til at hjælpe med at vise funktionerne i superfluid helium, svarende til at kaste småsten for at hjælpe med at visualisere vandstrømmen i et vandfald. "Vi var i stand til at levere direkte eksperimentelt bevis på, at tætte siliciumnanopartikler tiltrækkes af kvantiserede hvirvler og stabiliseres langs hvirvelkernen," siger førsteforfatter Yosuke Minowa.

En af de særlige egenskaber ved superfluid helium er, at enhver rotationsbevægelse kun kan forekomme i form af kvantificerede hvirvler. Disse er små, diskrete boblebade, der hver har en fast mængde vinkelmoment. Forskerne brugte nanopartikelteknikken til at studere processen med hvirvelgenopkobling, hvor linjer af hvirvler smelter sammen og udveksler deres dele. På grund af lysspredningen fra nanopartiklerne var hvirvellinjerne tydeligt synlige.

"Vores foreslåede teknik gør det muligt for os at bruge mange forskellige materialer som sporpartikler af kvantiserede hvirvler," forklarer Minowa. At studere kvantiserede hvirvler i superfluid helium kan hjælpe videnskabsmænd med bedre at forstå mere eksoteriske kvantesystemer, såsom den kritiske strøm i højtemperatursuperledere.

Artiklen, "Visualisering af kvantiseret vortex-genforbindelse muliggjort ved laserablation," blev publiceret i Science Advances . + Udforsk yderligere

Omrøring af en supervæske med en laser