Natuurkundigen hebben superfluïde bestudeerd ³ Hij zit nu al enkele jaren onder opsluiting op nanoschaal, omdat deze unieke vloeistof een rijke verscheidenheid aan fasen presenteert met complexe ordeparameters die kunnen worden gestabiliseerd. Hoewel eerdere studies veel interessante observaties hebben opgeleverd, een compleet en betrouwbaar beeld van superfluïde ³ Hij onder opsluiting moet nog worden bereikt.

Onderzoekers van de Universiteit van Alberta hebben onlangs een enorme sprong voorwaarts gemaakt in deze richting, door de introductie van nieuwe fasediagrammen van superfluïde ³ Hij onder verschillende gradaties van eenassige opsluiting. hun papier, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , licht zou kunnen werpen op de progressieve stabiliteit van de A-fase van de exotische vloeistof, terwijl ook een groeiend gebied met een stabiele golfstaat van paardichtheid wordt blootgelegd.

"Het idee voor dit project ontstond halverwege de jaren 2000 toen ik een PhD-student was aan de Northwestern University, "Johan Davis, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Ik werkte samen met prof. William Halperin, experimentele studies van superfluïde doen ³ Hij, terwijl in de groep van prof. Jim Sauls een promovendus genaamd Anton Vorontsov, nu een professor aan de Montana State University, was het verkennen van ideeën rond superfluïde ³ Hij zit vast."

De ideeën die meer dan tien jaar geleden door Vorontsov werden ontwikkeld, culmineerden in twee interessante theoretische verhandelingen:gepubliceerd in 2005 en 2007. Het eerste artikel voorspelde de vorming van een 'domeinmuur' tussen twee soorten superfluïde. in de natuurkunde, domeinmuren zijn bekend, onder andere, voor het scheiden van microscopische domeinen in ferromagnetische materialen en de uitlijning van magnetische domeinen leidt uiteindelijk tot macroscopisch ferromagnetisme. Echter, het idee van domeinmuren die twee gebieden van een vloeistof scheiden, is veel minder intuïtief en daarom enigszins prikkelend.

"Het artikel van Vorontsov uit 2007 ging nog verder op dit idee en voorspelde dat in een bepaald bereik van druk, temperaturen, en opsluiting, deze domeinmuren zouden kunnen worden gerangschikt en een 'supervloeibaar kristal' vormen, '" zei Davis. "Dit idee van een materiaal met zowel de regelmatige ruimtelijke structuur van een kristal als de superflow-eigenschappen van een superfluïde heeft me sindsdien geïntrigeerd."

Het idee van Vorontsov doet deels denken aan supervaste stoffen, een onderwerp dat een paar jaar geleden veel belangstelling trok binnen de natuurkunde. Echter, de nieuwe toestand die hij beschreef begint niet als een vaste toestand, maar eerder als een vloeistof. Het lijkt dus veel meer op wat wordt waargenomen in vloeibare kristallen, die een ruimtelijke ordening kunnen hebben die vergelijkbaar is met vaste stoffen en toch vloeibaar blijven. Op dezelfde manier waarop deze worden aangeduid als 'vloeibare kristallen', daarom, De voorspelling van Vorontsov zou die van een 'supervloeibaar kristal' kunnen worden genoemd.

In hun recente krant Davis en zijn collega's besloten de meer algemene term 'paardichtheidsgolf' te gebruiken, om controverse te minimaliseren. Ongeacht de term die ze gebruikten, hun doel was om de kristallijne geordende superfluïde toestand te vinden die door Vorontsov was geïntroduceerd.

"Vanaf het moment dat dat artikel uit 2007 werd gepubliceerd, Ik ben langzaam aan het opbouwen om dit experiment uit te voeren." Davis zei. "Sinds 2010 mijn onafhankelijke onderzoeksgroep heeft de infrastructuur gebouwd om vloeistof te koelen ³ Hij aan de sub-millikelvin temperaturen vereist, het bouwen van de thermometers die nodig zijn om deze temperaturen te meten en het uitvinden van experimentele technieken om de eigenschappen van superfluïde onder opsluiting te meten."

Om nieuwe experimentele methoden te identificeren om de eigenschappen van superfluïde onder opsluiting te meten, de onderzoekers begonnen moderne nanofabricagetechnieken te gebruiken. Deze technieken stelden hen in staat om te beperken ³ Hij naar de nanoschaal, dat is wat hun experimenten uiteindelijk onderscheidt van andere die in het verleden zijn uitgevoerd.

"We kwamen eigenlijk de techniek tegen die we in onze studie gebruikten, die van mechanische resonantie, per ongeluk, Davis legde uit. "We gebruiken iets dat Helmholtz-resonantie wordt genoemd, wat betekent dat het een mechanische resonantie van een vloeistof is. Dit is vergelijkbaar met het fluitje dat je krijgt als je over de bovenkant van een bierfles blaast. Dit fluitje is een massa-veersysteem, waarbij de massa de vloeistof in de hals van de fles is en de veer de samendrukbaarheid van het bier in de fles."

Vergelijkbaar met wat er gebeurt als je over de bovenkant van een bierfles blaast, de techniek die door Davis en zijn collega's wordt gebruikt, resulteert in een massa-veersysteem dat volledig is samengesteld uit superfluïde. De frequentie van het resulterende gefluit kan dan fungeren als een maat voor de eigenschappen van de superfluïde toestand.

De onderzoekers onthulden deze mechanische resonantie per ongeluk in een van hun eerdere experimenten. Toen ze eenmaal begrepen wat het was, ze realiseerden zich dat het hen zou kunnen helpen bij het nastreven van hun onderzoeksdoelen.

"We hebben vele jaren besteed aan het verfijnen van deze techniek, tot in januari 2019 twee van mijn lableden, Promovendus Alex Shook en postdoctoraal fellow Vaisakh Vadakkumbatt, op weg om eindelijk te zoeken naar deze supervloeibare kristalstaat in vloeistof ³ Hij, ' zei Davis. 'Zodra de gegevens binnenstroomden, Ik wist dat we iets groots op het spoor waren. Maar om echt zeker te zijn, deze jongens hebben maanden en maanden besteed aan het verfijnen van de data-acquisitie en om ervoor te zorgen dat onze thermometrie nauwkeurig was."

Bij het berekenen van de verwachte fasen op basis van hun waarnemingen, de onderzoekers konden niet vertrouwen op eerdere studies, omdat hun experimentele techniek hen in staat stelde een breder scala aan druk en opsluitingen te verkennen dan die in eerdere werken werden gerapporteerd, dus bestonden er nog geen theorieën die hun waarnemingen ondersteunden. Ze besloten daarom hun observaties te delen met een ander onderzoeksteam onder leiding van Prof. Joseph Maciejko, die hen hielp om de nodige berekeningen uit te voeren.

"Prof. Maciejko's student Pramodh Senarath Yapa voerde berekeningen uit van de verwachte faseovergangen onder dezelfde omstandigheden als onze experimenten, maar we deden dit op een soort 'dubbelblinde' manier, Davis legde uit. "We gaven Pramodh de opsluitingen die overeenkwamen met onze experimenten en welke druk- en temperatuurbereiken we aan het onderzoeken waren, maar onthulde onze precieze overgangstemperaturen niet. In plaats daarvan, Pramodh deed de berekeningen en Alex Shook deed de experimentele analyse en constructie van de fasediagrammen en op een dag in een grote onthulling stelden we ze samen."

De overeenkomst tussen de resultaten van berekeningen uitgevoerd door Pramodh en de fasediagrammen die door Shook zijn bedacht, was opmerkelijk, met nul instelbare parameters. Zo konden de onderzoekers belangrijke nieuwe inzichten verwerven over de voortschrijdende stabiliteit van de EEN fase in superfluïde ³ Hij, terwijl ook een groeiend gebied van de stabiele golfstaat van paardichtheid wordt benadrukt.

Hoewel dit diep fundamentele natuurkunde is, onderzoeken wat het betekent om een ​​staat te hebben met ruimtelijke ordening, als een kristal, maar dat is ook een superfluïde, zou belangrijke implicaties kunnen hebben voor andere systemen van gecondenseerde materie. Bijvoorbeeld, een vergelijkbare golftoestand met paardichtheid wordt momenteel onderzocht in supergeleiders bij hoge temperatuur, het werk van de onderzoekers zou dus ook het werk op dat gebied kunnen beïnvloeden.

"Voor mij, het meest betekenisvolle deel van deze ervaring is het versterken van de volgende generatie onderzoekers, zo'n Alex, Vaisakh en Pramodh, dat supervloeibare ³ Hij is een intens interessant systeem, Davis zei. "Het is zo'n rijk en schoon systeem, met nog veel te ontdekken. Ik kan alleen maar hopen dat sommige lezers van onze krant dit gevoel ook krijgen en misschien zullen sommigen van hen hun weg vinden naar het bestuderen van superfluïde ³ Hij."

Een ander interessant aspect van het onderzoek dat door Davis en zijn collega's is uitgevoerd, is dat het onderzoekt hoe het draaien van een experimentele 'knop', zoals opsluiting, daadwerkelijk nieuwe staten kan creëren. De 'knoppen' die in de experimentele natuurkunde worden gedraaid, omvatten meestal zaken als druk, temperatuur of magnetisch veld.

Davis en zijn team, anderzijds, waren in staat om de fysica van superfluïde te beheersen ³ Hij gebruikt opsluiting op nanoschaal, wat een nieuwe praktijk is in dit onderzoeksgebied. Er kunnen andere systemen zijn waarin opsluiting een belangrijke rol speelt en deze zouden ook met vergelijkbare technieken kunnen worden onderzocht.

"Dit is eigenlijk nog maar het begin van dit onderzoeksproject, " voegde Davis eraan toe. "In onze volgende studies, we willen onze techniek echt gebruiken om deze domeinmuren in detail te bestuderen. Ik zou ze willen karakteriseren en precies hun vorm willen begrijpen."

In hun toekomstige werk, de onderzoekers zijn van plan om te onderzoeken of er mogelijk nieuwe fysica binnen de domeinmuren is. Ze zouden ook graag de verschillende toestanden in hun fasediagrammen 'vingerafdrukken', om aan te tonen dat ze in staat zijn de eigenschappen van de beschreven fasen te begrijpen.

"Aan mijn kant supervloeibaar ³ Hij was ook interessant als voorbeeld van de topologische fase van materie (mijn belangrijkste onderzoeksgebied), waarvan wordt aangenomen dat het exotische excitaties herbergt die bekend staan ​​​​als Majorana-fermionen, "Jozef Maciejko, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, vertelde Phys.org. "Wat toekomstig onderzoek betreft, het samenspel van superfluïde kristallijne orde en Majorana-fysica is iets waar ik erg in geïnteresseerd ben, en dit zou experimenteel toegankelijk moeten zijn in dit systeem."

© 2020 Wetenschap X Netwerk