Физики освоили управление загадочными волнами Кельвина в сверхтекучем гелии

Исследователи из университета Киото создали метод, позволяющий контролировать и наблюдать волны Кельвина в сверхтекучем гелии-4. Это важное достижение открывает новые перспективы в изучении квантовых систем.

Эти спиралевидные волны, впервые описанные лордом Кельвином в 1880 году, распространяются вдоль вихревых линий и играют ключевую роль в процессах рассеивания энергии в квантовых системах. До настоящего времени их экспериментальное изучение представляло собой серьёзное испытание для исследователей.

Ведущий автор работы, доцент Ёсукэ Минова из Киотского университета, отметил, что открытие было сделано неожиданно. «Мы воздействовали электрическим полем на наночастицу, находящуюся в квантовом вихре, с целью переместить всю структуру. Однако мы стали свидетелями чёткого волнового движения вихревого ядра — возбуждения волны Кельвина», — объяснил профессор Минова.

Эксперимент базировался на уникальных характеристиках сверхтекучести — состоянии материи, при котором в условиях экстремально низких температур проявляются квантовые особенности на макроскопическом уровне. Наиболее ярким примером является гелий-4, обладающий сверхтекучестью при температуре ниже 2,17 Кельвина (приблизительно -271°C). В этом состоянии жидкость способна течь, не испытывая трения, и даже подниматься вверх по стенке сосуда вопреки силе гравитации.

Ученые применили методику создания кремниевых наночастиц в сверхтекучем гелии-4 при температуре 1,4 Кельвина. Они поместили кремниевую пластину в гелиевую среду и воздействовали на неё лазером, что вызывало образование наночастиц и локальных потоков в жидкости. Некоторые из наночастиц захватывались в ядре вихрей, что давало возможность исследователям следить за их динамикой.

Посредством воздействия переменным электрическим полем учёные вызвали колебания наночастиц, которые распространялись как спиральные волны вдоль вихрей. Для анализа их поведения использовались частоты возбуждения от 0,8 до 3,0 Герц. Двухкамерная система позволила воссоздать движение волн в трёх измерениях.

Как пояснил профессор Минова, одной из основных задач было подтвердить, что наблюдаемое движение действительно представляет собой волну Кельвина. Трёхмерная реконструкция изображений помогла доказать спиральную природу волн и впервые в эксперименте определить их направление вращения — они оказались левосторонними.

Это открытие предлагает новые пути для исследования квантовых жидких систем и потенциал использования в других квантовых структурах.

Источник: iXBT