Wetenschappers van de Graduate School of Engineering Science aan de Osaka University hebben aangetoond hoe silicium nanodeeltjes vast kunnen komen te zitten in de wervels die zich vormen in supervloeibaar helium. Dit werk opent nieuwe mogelijkheden in optisch onderzoek voor andere kwantumeigenschappen van supervloeibaar helium, zoals de optische manipulatie van gekwantiseerde wervels vanwege de sterke interactie tussen licht en silicium nanodeeltjes.

De regels van de kwantummechanica lijken ons misschien heel vreemd, met deeltjes die zich soms als golven gedragen en omgekeerd. Normaal gesproken verwachten we dat vreemd kwantumgedrag beperkt blijft tot zeer kleine schalen. Wanneer bepaalde materialen, zoals helium-4, echter tot zeer lage temperaturen worden gekoeld, heeft de golving effecten die zelfs op macroscopische schaal zichtbaar zijn.

Dit "onderkoelde" helium is een voorbeeld van een Bose-Einstein-condensatie, waarbij de golven die de atomen vertegenwoordigen elkaar overlappen totdat de hele vloeistof bijna als een enkel deeltje werkt. Dit proces heeft geen klassieke analogie en is een nuttig systeem voor het testen van theorieën van de kwantummechanica, omdat de overgang naar een superfluïde in helium-4 plaatsvindt bij relatief toegankelijke temperaturen. Er is echter nog steeds behoefte om de beweging van het superfluïde te kunnen visualiseren.

Nu heeft een team van onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Osaka silicium nanodeeltjes gebruikt om de kenmerken van supervloeibaar helium te laten zien, vergelijkbaar met het gooien van kiezelstenen om de stroming van water in een waterval te visualiseren. "We waren in staat om direct experimenteel bewijs te leveren dat dichte silicium nanodeeltjes worden aangetrokken door gekwantiseerde wervels en stabiliseren langs de vortexkern", zegt eerste auteur Yosuke Minowa.

Een van de bijzondere eigenschappen van superfluïde helium is dat elke rotatiebeweging alleen kan plaatsvinden in de vorm van gekwantiseerde wervels. Dit zijn kleine, discrete draaikolken die elk een vaste hoeveelheid impulsmoment hebben. De wetenschappers gebruikten de nanodeeltjestechniek om het proces van vortex-herverbinding te bestuderen, waarbij wervellijnen samenvloeien en hun onderdelen uitwisselen. Door de lichtverstrooiing van de nanodeeltjes waren de vortexlijnen duidelijk zichtbaar.

"Onze voorgestelde techniek stelt ons in staat om veel verschillende materialen te gebruiken als tracerdeeltjes van gekwantiseerde wervels", legt Minowa uit. Het bestuderen van gekwantiseerde wervels in supervloeibaar helium kan wetenschappers helpen om meer exoterische kwantumsystemen beter te begrijpen, zoals de kritische stroom in supergeleiders bij hoge temperaturen.

Het artikel, "Visualisatie van gekwantiseerde vortex-herverbinding mogelijk gemaakt door laserablatie", werd gepubliceerd in Science Advances . + Verder verkennen

Superfluïde roeren met een laser