Учёные из Киотского университета разработали контролируемый метод возбуждения и наблюдения волн Кельвина в сверхтекучем гелии-4. Это достижение открывает новые возможности для изучения квантовых систем.
Волны Кельвина, впервые описанные лордом Кельвином в 1880 году, представляют собой спиралевидные волны, распространяющиеся вдоль вихревых линий и играющие важную роль в рассеивании энергии в квантовых системах. До настоящего времени их экспериментальное изучение представляло серьёзную проблему для учёных.
Ведущий автор исследования, доцент Ёсукэ Минова из Киотского университета, рассказал, что открытие произошло случайно. «Мы применили электрическое поле к наночастице в квантованном вихре, надеясь переместить всю структуру целиком. Вместо этого мы наблюдали чёткое волнообразное движение вихревого ядра – возбуждение волны Кельвина», – пояснил профессор Минова.
Эксперимент основан на уникальных свойствах сверхтекучести – состояния материи, в котором при экстремально низких температурах проявляются квантовые эффекты на макроскопическом уровне. Самым известным примером является гелий-4, который демонстрирует сверхтекучесть при охлаждении ниже 2,17 Кельвина (около -271°C). В этом состоянии жидкость может течь без трения и даже подниматься против силы тяжести по стенкам сосуда.
Исследователи разработали метод, создавая наночастицы кремния в сверхтекучем гелии-4 при температуре 1,4 Кельвина. Они помещали кремниевую пластину в гелий и направляли на неё лазер, что приводило к образованию наночастиц и локальных потоков в жидкости. Некоторые наночастицы оказывались захваченными в ядре вихрей, что позволило учёным наблюдать за их поведением.
Применяя переменное электрическое поле, исследователи создавали вынужденные колебания наночастиц, которые распространялись как спиральные волны вдоль вихря. Для анализа поведения волн использовались различные частоты возбуждения от 0,8 до 3,0 Герц. Система с двумя камерами позволила реконструировать движение волн в 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 – они имели левостороннюю спиральную структуру.
Это открытие создаёт новые возможности для изучения квантовых жидкостей и может найти применение в других квантовых системах.