不同约束条件下超流氦的新相图

时间:2020-01-25 17:17 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

不同约束条件下超流氦的新相图

几年来,物理学家们一直在研究纳米尺度下的超流体3He,因为这种独特的液体呈现出丰富多样的相位,其复杂的有序参数可以被稳定下来。虽然过去的研究收集了许多有趣的观察结果,但仍未获得一幅完整可靠的超流体3He在封闭状态下的图像。

阿尔伯塔大学的研究人员最近在这个方向上取得了巨大的进步,他们引入了不同单轴约束条件下的超流体3He的新相图。他们的论文发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上,揭示了外来液体A相的渐进稳定性,同时也揭示了稳定的双密度波态的增长区域。

“这个项目的想法早在21世纪头十年中期我还是西北大学的博士生的时候就有了,”研究人员之一的John Davis告诉Phys.org。“我与William Halperin教授合作,对超流体3He进行实验研究,而在Jim Sauls教授的团队中,一位名叫Anton Vorontsov的博士生,现在是蒙大拿州立大学的教授,正在探索关于被囚禁的超流体3He的想法。”

沃龙佐夫十多年前发展的想法,最终在两个有趣的理论论文,发表在2005年和2007年。第一篇论文预测了两种超流体之间“域壁”的形成。在物理学中,畴壁被认为是分离铁磁材料中微观畴的重要手段之一,磁畴的排列最终导致宏观铁磁。然而,域壁分隔流体的两个区域的想法远没有那么直观,因此有点诱人。

“Vorontsov在2007年的论文进一步阐述了这一观点,并预测在一定的压力、温度和限制范围内,这些畴壁可能会排列并形成‘超流体晶体’,”Davis说。“这种材料同时具有晶体的规则空间结构和超流体的超流特性的想法从那时起就吸引了我。”

Vorontsov提出的想法在一定程度上让人联想到超固体,这是几年前在物理领域引起很多兴趣的一个主题。然而,他所描述的新状态一开始并不是固态,而是液态。到目前为止,它与我们在液晶中观察到的情况更为相似,液晶的空间排列顺序与固体相似,但仍然保持液态。同样,这些被称为“液晶”,因此,沃龙佐夫的预测可以被称为“超流体晶体”。

在他们最近的论文中,Davis和他的同事决定使用更通用的术语“密度波”,以减少争议。不管他们使用什么术语,他们的目标是寻找由沃龙佐夫介绍的晶体有序超流体状态。

“从那篇2007年发表的论文开始,我就在慢慢地为这个实验做准备。”戴维斯说。“自2010年以来,我的独立研究小组一直在建造基础设施,将液体冷却到所需的亚米利克尔文温度,建造测量这些温度所需的温度计,并发明实验技术,以测量在限制条件下的超流体的特性。”

为了确定新的实验方法来测量超流体在限制条件下的特性,研究人员开始使用现代纳米制造技术。这些技术使他们得以将实验范围限制在纳米级别,而这正是他们的实验与过去进行的其他实验的最终区别所在。

戴维斯解释说:“实际上,我们偶然发现了我们在研究中使用的技术,即机械共振。”“我们使用一种叫做亥姆霍兹共振的东西,这意味着它是一种流体的机械共振。这类似于你吹过啤酒瓶顶部时听到的哨声。这个哨子是一个质量-弹簧系统,质量是瓶口的液体,弹簧是瓶子里的啤酒的可压缩性。”

类似于从啤酒瓶上吹气时的情况,Davis和他的同事使用的技术产生了一个完全由超流体组成的质量-弹簧系统。由此产生的哨子的频率可以用来衡量超流体状态的性质。

不同约束条件下超流氦的新相图

研究人员在之前的一次实验中偶然发现了这种机械共振。一旦他们理解了它是什么,他们意识到它可以帮助他们追求他们的研究目标。

戴维斯说:“我们花了很多年来完善这项技术,直到2019年1月,我的两个实验室成员,博士生亚历克斯·舒克和博士后维萨克·瓦达克·库巴特,开始最终在液态氦中寻找这种超流体晶体状态。”“当数据开始滚滚而来的时候,我就知道我们正在做一件大事。但为了更有信心,这些人花了几个月的时间来完善数据采集,确保我们的温度测量是准确的。”

当试图根据他们的观察来计算预期的相位时,研究人员不能依赖于以前的研究,因为他们的实验技术允许他们探索比以前的工作更大范围的压力和限制,所以支持他们的观察的理论还不存在。因此,他们决定与约瑟夫·马西耶科教授领导的另一个研究小组分享他们的观察结果,后者帮助他们进行了必要的计算。

戴维斯解释说:“马西耶科教授的学生普拉莫德·塞纳拉特·亚帕在与我们的实验相同的条件下,对预期的相变进行了计算,但我们采用的是一种‘双盲’的方法。”“我们给了Pramodh与我们的实验相对应的限制条件,以及我们正在探索的压力和温度范围,但没有透露我们的准确过渡温度。相反,Pramodh做了计算,Alex shake做了实验分析和相图的构建,有一天我们把它们放在一起。”

Pramodh的计算结果与shake设计的相图具有显著的一致性,且无可调参数。因此,研究人员能够获得关于超流体3He中A相渐进稳定性的重要新见解,同时也强调了稳定的密度波对状态的一个增长区域。

虽然这是非常基础的物理学,但探索具有空间秩序的状态意味着什么,比如晶体,但它也是超流体,可能会对其他凝聚态系统产生重要影响。例如,类似的对密度波状态目前正在高温超导体中进行研究,因此研究人员的工作可能也会影响该领域的工作。

戴维斯说:“对我来说,这次经历中最有意义的部分是加强下一代研究人员,如亚历克斯、维萨克和普拉莫,即超流体3He是一个非常有趣的系统。”“这是一个如此丰富而干净的体系,还有很多东西有待探索。我只能希望我们的一些读者也有这种感觉,也许他们中的一些人会找到自己的方式来研究superfluid 3He。”

戴维斯和他的同事进行的这项研究的另一个有趣的方面是,它探索了转动一个实验性的“旋钮”,比如坐月子,实际上是如何创造新的状态的。实验物理学中的“旋钮”通常包括诸如压力、温度或磁场之类的东西。

另一方面,戴维斯和他的团队能够利用纳米尺度的限制来控制超流体3He的物理特性,这在这一研究领域是一种新的实践。也许在其他的系统中,约束起着重要的作用,这些系统也可以使用类似的技术来检查。

“这只是这个研究项目的开始,”戴维斯补充说。“在我们接下来的研究中,我们真的想用我们的技术来详细研究这些域壁。我想描述它们的特征,并准确地理解它们的形态。”

在他们未来的工作中,研究人员计划探索领域内是否存在一些新的物理现象。他们还想在他们的相位图中“指印”各种状态,以证明他们能够理解他们详细描述的相位的属性。

另一位参与这项研究的研究员约瑟夫·马西耶科告诉Phys.org网站说:“在我看来,超流体3号也是我感兴趣的一个物质拓扑阶段的例子(我的主要研究领域),它被认为承载着被称为马约阿纳费米昂的外来激发态。”“在未来的研究中,超流体晶体秩序和马略阿纳物理学之间的相互作用是我非常感兴趣的研究方向,这应该可以在这个系统中得到实验验证。”

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