Суперфлуидна хиралност, картографирана с помощта на ЯМР

Физици картографираха суперфлуиден хелий-3, използвайки магнитен резонанс (MRI), като наблюдаваха суперфлуидна симетрия.

Екип от физици, ръководен от Ютака Сасаки в университета в Киото, използва техниката, за да разглежда областите на обща хиралност, която се появява спонтанно в тънки филми със суперфлуид. Техниката обещава да задълбочи разбирането ни за сложното поведение на суперфлуидното състояние на материята, както и за същността на различните видове свръхпроводимост.

Когато хелият се охлажда до миликелвини, той се превръща в суперфлуид – течност с нулев вискозитет, която може да тече вечно без да разсейва енергията си в топлина или в каквато и да е кинетична енергия. Хелий-3 атоми са фермиони, които обикновено не образуват суперфлуид, но в този случай атомите се сдвояват и се държат като бозони – които могат да образуват суперфлуид. Това сдвояване прави физиката на суперфлуидния хелий-3 наистина много интересна за физиците, изучаващи топологичната природа на материята.

Теоретичните изследвания показват, че когато хелий-3 се охлади достатъчно, за да създаде суперфлуид, той образува макроскопични топологични области. В рамките на отделните области суперфлуидните атоми имат еднаква ъглова инерция, която дава на всяка област определена хиралност. Въпреки това, предишни изследвания не са успели да потвърдят тези идеи експериментално и изобразяването на тези структури ще разкрие формите на макроскопичните вълнови функции в суперфлуида.

Възбудени ядра

Сасаки и колегите му са използвали ядрено-магнитен резонанс (MRI), за да направят директни изображения на тези суперфлуидни области. Широко използван в медицината и индустрията, ЯМР работи чрез възбуждане на ядрата в пробата, използвайки осцилиращи магнитни полета, и след това наблюдава излъчените радиосигнали от ядрата, докато се разпадат обратно в нормалните им състояния. Природата на сигналите е много чувствителна към непосредствената околност на ядрото, така че ядреният магнитен резонанс (MRI) е много подходящ за целта на изследването.

Свойствата на ЯМР са полезни за изследователите на суперфлуиди, тъй като те прогнозират, че ядрата на свръхфлуидните атоми в различни области – следователно с различни хиралности – ще излъчват свои характерни радиовълни, като им помагат да различат топологичните структури. Екипът проверява теорията с помощта на тънки слоеве (филм) от хелий-3, охладен до 2 mK, като получават изображения на квантовите кондензати с пространствена разделителна способност от 10 μm.

Както са очаквали, екипът заснема хирални области с големина до 1 mm. Областите са разделени от стени, характеризиращи се с тъмни линии, където сигналът пропада. За да се провери как се появява текстурата, физиците няколко пъти охлаждат хелий-3 под температурата му на преход. Всеки път броят на областите и местоположенията им на филма са различни – което означава, че топологията на суперфлуида възниква спонтанно. Това отличава суперфлуидите от други течности, където хиралните области се образуват или поради примеси в материала, или от условия и фактори в околната среда.

Учените  също така отбелязват, че когато охлаждат тънкия слой хелий-3 под преходните температури, хиралните области остават сравнително стабилни за по-дълъг период от време.

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *