In een nieuwe studie, wetenschappers van het Indian Institute of Science (IISc) hebben voor het eerst experimenteel het bestaan ​​​​van twee soorten enkele elektronenbellen (FEB's) in supervloeibaar helium aangetoond. Deze VBO's kunnen dienen als een bruikbaar model om te bestuderen hoe de energietoestanden van elektronen en de interacties daartussen in een materiaal de eigenschappen ervan beïnvloeden.

Het team bestond uit Neha Yadav, een voormalig Ph.D. student aan de faculteit Natuurkunde, Prosenjit Sen, Universitair hoofddocent bij het Center for Nano Science and Engineering (CeNSE) en Ambarish Ghosh, Professor bij CeNSE. De studie is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Een elektron dat in een supervloeibare vorm van helium wordt geïnjecteerd, creëert een enkele elektronenbubbel (SEB) - een holte die vrij is van heliumatomen en alleen het elektron bevat. De vorm van de bel hangt af van de energietoestand van het elektron. Bijvoorbeeld, de bel is bolvormig wanneer het elektron zich in de grondtoestand bevindt (1S). Er zijn ook MEB's - meerdere elektronenbubbels die duizenden elektronen bevatten.

februari, anderzijds, zijn holtes ter grootte van nanometers in vloeibaar helium die slechts een handvol vrije elektronen bevatten. Het nummer, toestand en interacties tussen vrije elektronen dicteren de fysische en chemische eigenschappen van materialen. FEB studeren, daarom, zou wetenschappers kunnen helpen beter te begrijpen hoe sommige van deze eigenschappen naar voren komen wanneer een paar elektronen in een materiaal met elkaar interageren. Volgens de auteurs is inzicht in hoe FEB's worden gevormd, kan ook inzicht geven in de zelfassemblage van zachte materialen, die belangrijk kunnen zijn voor de ontwikkeling van kwantummaterialen van de volgende generatie. Echter, wetenschappers hebben tot nu toe alleen theoretisch het bestaan ​​van VBO's voorspeld. "We hebben nu voor het eerst FEB's experimenteel geobserveerd en begrepen hoe ze worden gemaakt, " zegt Yadav. "Dit zijn mooie nieuwe objecten met grote implicaties als we ze kunnen maken en vangen."

Yadav en collega's bestudeerden de stabiliteit van MEB's bij nanometergroottes toen ze feb's toevallig observeerden. aanvankelijk, ze waren allebei opgetogen en sceptisch. "Er waren een groot aantal experimenten voor nodig voordat we er zeker van waren dat deze objecten inderdaad FEB's waren. Toen was het zeker een enorm spannend moment, "zegt Gosh.

De onderzoekers pasten eerst een spanningspuls toe op een wolfraampunt op het oppervlak van vloeibaar helium. Vervolgens genereerden ze een drukgolf op het geladen oppervlak met behulp van een ultrasone transducer. Hierdoor konden ze 8EB's en 6EB's maken, twee soorten FEB's die respectievelijk acht en zes elektronen bevatten. Deze FEB's bleken stabiel te zijn gedurende ten minste 15 milliseconden (kwantumveranderingen vinden meestal plaats op veel kortere tijdschalen), waardoor onderzoekers ze kunnen vangen en bestuderen.

"FEB's vormen een interessant systeem dat zowel elektron-elektroninteractie als elektron-oppervlakte-interactie heeft, " legt Yadav uit.

Er zijn verschillende fenomenen die FEB's kunnen helpen wetenschappers te ontcijferen, zoals turbulente stromingen in superfluïde en viskeuze vloeistoffen, of de warmtestroom in supervloeibaar helium. Net zoals stroom zonder weerstand vloeit in supergeleidende materialen bij zeer lage temperaturen, superfluïde helium geleidt ook warmte efficiënt bij zeer lage temperaturen. Maar defecten in het systeem, wervelingen genoemd, kan de thermische geleidbaarheid verlagen. Omdat FEB's aanwezig zijn in de kern van dergelijke wervels - zoals de auteurs in dit onderzoek hebben gevonden - kunnen ze helpen bij het bestuderen van hoe de wervels op elkaar inwerken, evenals bij de warmte die door het superfluïde helium stroomt.

"In de nabije toekomst zal we willen graag weten of er nog andere soorten VBO's zijn, en de mechanismen begrijpen waardoor sommige stabieler zijn dan andere, " zegt Ghosh. "Op de lange termijn, we willen deze VBO's gebruiken als kwantumsimulatoren, waarvoor men nieuwe soorten meetschema's moet ontwikkelen."