Учёные из Киотского университета создали способ управлять и изучать волнами Кельвина в сверхтекучем гелии-4.
Спиралевидные волны, получившие название волн Кельвина благодаря первому описанию лордом Кельвином в 1880 году, распространяются вдоль вихревых линий и влияют на рассеивание энергии в квантовых системах. До сегодняшнего дня их изучение в лабораторных условиях ставило перед учёными серьезные задачи.
Доцент Ёсукэ Минова из Киотского университета, ведущий автор исследования, сообщил о случайном открытии. «Мы применили электрическое поле к наночастице в квантованном вихре с целью переместить всю структуру целиком. Вместо этого мы наблюдали чёткое волнообразное движение вихревого ядра – возбуждение волны Кельвина», – рассказал профессор Минова.
Эксперимент использует уникальные свойства сверхтекучести – состояния материи, где при экстремально низких температурах проявляются квантовые эффекты на макроскопическом уровне. Гелий-4 — самый известный пример. При охлаждении ниже 2,17 Кельвина (около -271°C) он демонстрирует сверхтекучесть. В этом состоянии жидкость может течь без трения и даже подниматься против силы тяжести по стенкам сосуда.
Учёные разработали метод создания наночастиц кремния в сверхтекучем гелии-4 при температуре 1,4 Кельвина. Для этого помещали кремниевую пластину в гелий и направляли на неё лазер, что приводило к образованию наночастиц и локальных потоков в жидкости. Некоторые наночастицы захватывались в ядре вихрей, что позволяло наблюдать за их поведением.
Изучая влияние переменного электрического поля на наночастицы, учёные наблюдали вынужденные колебания, напоминающие спиральные волны, распространяющиеся по вихрю. Для исследования такого поведения использовались разные частоты возбуждения в диапазоне от 0,8 до 3,0 Герц. В системе с двумя камерами удалось проследить движение волн во всех трёх измерениях.
По словам профессора Миновы, одной из главных задач было доказать, что наблюдаемое явление действительно является волной Кельвина. Трёхмерная реконструкция изображений помогла подтвердить спиральную природу волн и впервые экспериментально определить их направление вращения – левостороннюю спиральную структуру.
Это открытие расширяет возможности исследования квантовых жидкостей и может быть полезно для изучения других квантовых систем.