Физики увидели вихри в сверхкритических нанокаплях

uWUOmcMHjbI1

Впервые гидродинамика сверхкритической жидкости была исследована на столь малом масштабе.

На фото: Квантовые вихри в нанокаплях сверхтекучего гелия в представлении художника. Изображение: SLAC National Accelerator Laboratory

Ученым из экспериментальной ускорительной лаборатории SLAC с помощью рентгеновского рассеяния удалось «увидеть» форму вращающейся с огромной угловой скоростью нанокапли, а также детектировать образование внутри нее упорядоченной решетки вихрей. Исследование ученых опубликовано в журнале
Science, кратко о нем можно прочитать  на сайте лаборатории.

Сверхтекучесть — уникальное состояние жидкости, возникающее в гелии при очень низких температурах. Сверхтекучая жидкость отличается от обычной жидкости тем, что ее вязкость равна нулю, а большинство атомов движется когерентно, а не независимо. Это позволяет сверхтекучему жидкому гелию протекать через самые узкие щели и капилляры без трения.

Другим необычным свойством сверхтекучего состояния является образование квантовых вихрей: если привести во вращение цилиндрическое ведро со сверхтекучим гелием, то жидкость не будет вращаться вместе с сосудом; вместо этого в ней будут образовываться параллельно расположенные вихри, первое фотографическое изображение которых было получено в 1974 году. В капле обычной жидкости конечного размера любое течение жидкости должно сопровождаться вращением капли, которое в случае сверхтекучей жидкости сопровождается также образованием квантовых вихрей. Однако до настоящего момента о гидродинамике капель сверхтекучей жидкости было известно мало.

Исследовать это явление удалось с помощью анализа рассеяния когерентного рентгеновского излучения лазера на свободных электронах в гелиевых каплях. Авторы наблюдали за вращением капель, которые образуются при разбиении струи жидкого гелия. Капли пролетали несколько сотен нанометров и попадали в фокус пучка лазера, дифракционная картина рассеяния излучения которого записывалась детектором.

У капель вязкой жидкости при увеличении угловой скорости форма меняется: капля из сфероидальной превращается в эллиптическую, становясь все более и более вытянутой. При некоторой критической скорости капля становится нестабильной и принимает форму, напоминающую гантель или арахис.

Оказалось, что в случае сверхтекучей жидкости капли могут сохранять эллиптическую форму и сильнее удлиняться при гораздо более высоких скоростях вращения. Другими словами, нанокапли гелия показывают более широкий диапазон стабильности, чем капли обычной вязкой жидкости. Более того, около одного процента нанокапель в ходе эксперимента принимали форму, напоминающую колесо, что для обычной жидкости вообще не характерно.

Так как вихри были невидимы в картине рентгеновского рассеяния, ученым пришлось допировать нанокапли гелия атомами ксенона. При этом на картинах рассеяния кроме колец, характерных для вращающейся капли, наблюдались также Брэгговские пятна, что означало, что атомы ксенона в капле гелия распределялись в некоторую упорядоченную структуру. Можно предположить, что атомы ксенона становились центром нановихрей, расположение которых напоминает расположение атомов в кристаллической решетке.

zMlGHo9mHFM1

Экспериментальная установка. Изображение: SLAC National Accelerator Laboratory

Форму вихрей из экспериментов по рассеянию рассчитать невозможно, однако можно посчитать их плотность. Оказалось, что вихри в нанокаплях в 100 тысяч раз более плотно упакованы, чем это наблюдалось во всех предыдущих экспериментах по наблюдению квантовых вихрей в сверхтекучих жидкостях.

Другим интересным результатом эксперимента стало то, что на картине рассеяния от колесообразных капель не было видно никаких брэгговских рефлексов, хотя такая форма может говорить об очень высокой плотности вихрей. Возможное объяснение этому факту состоит в том, что при высоких плотностях вихрей они теряют способность кристаллизоваться и формируют некоторое неупорядоченное состояние. Другое объяснение связано с формированием в каплях некоторых неравновесных состояний, связанных с квантовой турбулентностью, то есть хаотическим движением жидкости на очень высоких скоростях. Гидродинамическая нестабильность на высоких скоростях вращения капель также может уничтожать кристаллический порядок вихрей.

Изучение гидродинамики сверхтекучих жидкостей в нанокаплях открывает новую экспериментальную область для проверок предсказаний квантовой механики, а также в будущем может преподнести еще большее количество новых любопытных эффектов, которые невозможно рассчитать в математических моделях.