Новая оптическая центрифуга раскрывает секреты сверхтекучих жидкостей без трения

Физики из Университета Британской Колумбии направили лазерный луч оптической центрифуги в нанокапли гелия, легированные димерами оксида азота. Предоставлено: Валерий Мильнер, UBC

Физики разработали новый способ управления вращением молекул внутри крошечных капель жидкого гелия, что является важным достижением в изучении сверхтекучих жидкостей. Используя специально разработанную оптическую центрифугу, команде удалось точно раскручивать молекулы, взвешенные в нанокаплях жидкого гелия, что дает ученым мощный новый инструмент для исследования этих необычных материалов без трения.

Это достижение представляет собой первую успешную демонстрацию контролируемого вращения молекул внутри сверхтекучей жидкости. Теперь исследователи могут напрямую регулировать как направление, так и скорость вращения молекулы, что позволяет изучать, как молекулы взаимодействуют со своим квантовым окружением на разных частотах вращения. Работа, проведенная под руководством исследователей из Университета Британской Колумбии (UBC) в сотрудничестве с Университетом Фрайбурга, была опубликована в журнале Physical Review Letters.

«Контролировать вращение молекулы, растворенной в любой жидкости, — это сложная задача», — сказал доктор Валерий Мильнер, доцент кафедры физики и астрономии UBC и автор статьи.

«Растворенные молекулы взаимодействуют с атомами или молекулами жидкости, фактически становясь больше, и их труднее раскрутить. Представьте, что вы лепите снежок: когда он маленький, его очень легко двигать, но становится все труднее и труднее, когда к нему прилипает больше снега».

Понимание сверхтекучих жидкостей

Сверхтекучие жидкости, такие как жидкий гелий, охлажденный до температур, близких к абсолютному нулю, представляют собой необычное состояние вещества, которое течет без вязкости. Несмотря на отсутствие внутреннего трения, они все еще действуют как растворители, позволяя молекулам растворяться в них.

«Вопрос, который интересует науку о квантовой материи и который этот новый подход поможет нам изучить, заключается в том, что меняется с точки зрения сольватированной — растворенной — молекулы при переходе от нормальной жидкости к такому типу квантовой сверхтекучей жидкости», — добавляет доктор Мильнер.

Новая техника оптической центрифуги

Традиционные оптические центрифуги использовались для раскручивания молекул в газах путем воздействия на них вращающимся лазерным импульсом. Когда электрическое поле лазера вращается, газовые молекулы выравниваются с ним и начинают вращаться. Однако до сих пор тот же подход не давал результатов с молекулами, погруженными в сверхтекучую жидкость.

Чтобы преодолеть это ограничение, доктор Мильнер и его коллеги поместили молекулы в нанокапли гелия, легированные димерами оксида азота. Затем они ввели короткую задержку между лазерными импульсами. Возникшая в результате интерференция создала гораздо более медленную, стабильную скорость вращения, что облегчило раскручивание молекул, увеличив то, что исследователи называют их «способностью к раскручиванию».

Изучение границ сверхтекучести

Теперь исследователи планируют варьировать частоту вращения (используя новую «ручку управления», предлагаемую новой центрифугой), чтобы определить критическую точку, где вращение молекул, как ожидается, резко замедлится из-за того, что сверхтекучесть начинает разрушаться.

«Плохо изучено, как и когда — например, на какой частоте — произойдет этот переход на таком крошечном атомном масштабе», — говорит доктор Мильнер. «Это ключевая область, которую мы сейчас исследуем».

Исследование было поддержано Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады, Канадским фондом инноваций и Фондом развития знаний Британской Колумбии.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Британской Колумбии.

Ian MacPhail-Bartley, Alexander A. Milner, Frank Stienkemeier, Valery Milner. Control of Molecular Rotation in Helium Nanodroplets with an Optical Centrifuge. Physical Review Letters, 2026; 136 (3) DOI: 10.1103/5jnj-97vs