Исследователи из Университета Киото разработали методику для контролируемой генерации и наблюдения волн Кельвина в сверхтекучем гелии-4, что открывает новые горизонты в исследовании квантовых систем.
Волны Кельвина, впервые описанные лордом Кельвином в 1880 году, представляют собой спиральные колебания, которые распространяются вдоль вихревых структур, играя ключевую роль в рассеивании энергии в квантовых системах. Их экспериментальный анализ до сих пор вызывал значительные трудности у исследователей.

Ведущий исследователь, доцент Ёсукэ Минова из Университета Киото, отметил, что открытие носило случайный характер. «Мы воздействовали электрическим полем на наночастицу в квантованном вихре, надеясь переместить всю структуру, но вместо этого обнаружили волнообразное поведение ядра вихря — появление волн Кельвина», — пояснил профессор Минова.
Эксперимент базировался на исключительных характеристиках сверхтекучести — состояния вещества, проявляющего квантовые эффекты при экстремально низких температурах. Классическим примером является гелий-4, который начинает демонстрировать сверхтекучесть при температуре ниже 2,17 Кельвина (около -271°C), позволяя жидкости течь без трения, даже вопреки силе тяжести вдоль стенок сосуда.
Исследователи использовали методику формирования кремниевых наночастиц в сверхтекучем гелии-4 при температуре 1,4 Кельвина. Кремниевая пластина помещалась в гелий, а воздействие лазером провоцировало образование наночастиц и локальных течений в жидкости. Некоторые наночастицы оказывались захваченными в ядрах вихрей, что дало учёным возможность изучать их поведение.
При помощи переменного электрического поля исследователи вызывали колебания наночастиц, которые передавались в форме спиральных волн вдоль вихря. Поведение волн анализировалось с помощью различных частот возбуждения от 0,8 до 3,0 Герца. Двойная камера позволила воссоздать движение волн в трёхмерной перспективе.
Профессор Минова подчеркнул, что одной из ключевых задач было доказательство того, что зафиксированное явление действительно соответствует волнам Кельвина. Трёхмерная визуализация помогла подтвердить спиральный характер волн и впервые экспериментально определить направление их вращения — оказалось, что они имеют левостороннюю спиральную структуру.
Это открытие предлагает новые подходы к изучению квантовых жидкостей и может быть полезным в исследованиях других квантовых систем.
Источник: iXBT