Wissenschaftler der Graduate School of Engineering Science an der Universität Osaka haben gezeigt, wie Silizium-Nanopartikel in den Wirbeln eingeschlossen werden können, die sich in superflüssigem Helium bilden. Diese Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten in der optischen Forschung für andere Quanteneigenschaften von superflüssigem Helium, wie beispielsweise die optische Manipulation von quantisierten Wirbeln aufgrund der starken Wechselwirkung zwischen Licht und Silizium-Nanopartikeln.
Die Regeln der Quantenmechanik mögen uns sehr fremd erscheinen, mit Teilchen, die sich manchmal wie Wellen verhalten und umgekehrt. Normalerweise erwarten wir, dass seltsames Quantenverhalten auf sehr kleine Skalen beschränkt ist. Wenn jedoch bestimmte Materialien wie Helium-4 auf sehr niedrige Temperaturen gekühlt werden, hat die Welligkeit Auswirkungen, die sogar auf makroskopischer Ebene sichtbar sind.
Dieses „unterkühlte“ Helium ist ein Beispiel für eine Bose-Einstein-Kondensation, bei der sich die Wellen, die die Atome darstellen, überlagern, bis die gesamte Flüssigkeit fast wie ein einzelnes Teilchen wirkt. Dieser Prozess hat kein klassisches Analogon und ist ein nützliches System zum Testen von Theorien der Quantenmechanik, da der Übergang zu einem Superfluid in Helium-4 bei relativ zugänglichen Temperaturen erfolgt. Es besteht jedoch immer noch ein Bedarf, die Bewegung der Supraflüssigkeit sichtbar zu machen.
Jetzt hat ein Forscherteam unter der Leitung der Universität Osaka Silizium-Nanopartikel verwendet, um die Eigenschaften von superflüssigem Helium zu zeigen, ähnlich wie das Werfen von Kieselsteinen, um den Wasserfluss in einem Wasserfall sichtbar zu machen. „Wir konnten direkte experimentelle Beweise dafür liefern, dass dichte Silizium-Nanopartikel von quantisierten Wirbeln angezogen werden und sich entlang des Wirbelkerns stabilisieren“, sagt Erstautor Yosuke Minowa.
Eine der besonderen Eigenschaften von superflüssigem Helium ist, dass jede Rotationsbewegung nur in Form von quantisierten Wirbeln auftreten kann. Dies sind winzige, diskrete Strudel, die jeweils einen festen Drehimpuls tragen. Die Wissenschaftler verwendeten die Nanopartikel-Technik, um den Prozess der Wiederverbindung von Wirbeln zu untersuchen, bei dem Wirbellinien zusammenwachsen und ihre Teile austauschen. Aufgrund der Lichtstreuung an den Nanopartikeln waren die Wirbellinien deutlich sichtbar.
„Unsere vorgeschlagene Technik ermöglicht es uns, viele verschiedene Materialien als Tracer-Partikel von quantisierten Wirbeln zu verwenden“, erklärt Minowa. Die Untersuchung quantisierter Wirbel in superflüssigem Helium kann Wissenschaftlern dabei helfen, eher exoterische Quantensysteme besser zu verstehen, wie etwa den kritischen Strom in Hochtemperatur-Supraleitern.
Der Artikel „Visualization of quantized vortex reconnection enabled by laser ablation“ wurde in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.
Yosuke Minowa, Visualisierung der Wiederverbindung quantisierter Wirbel, die durch Laserablation ermöglicht wird, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn1143. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn1143