Оптическая центрифуга новой конструкции позволяет ученым контролировать вращение молекул внутри нанокапель сверхтекучего гелия.

Физики разработали новую версию оптической центрифуги, которая позволяет контролировать вращение молекул, находящихся в нанокаплях жидкого гелия. Это достижение приближает ученых к пониманию необычных свойств сверхтекучих жидкостей — редкого состояния вещества, при котором оно течет без трения.

Этот эксперимент стал первым случаем, когда исследователям удалось целенаправленно управлять вращением молекул в сверхтекучей жидкости. С помощью этого метода ученые могут точно задавать направление и скорость вращения молекул. Такой уровень контроля важен для изучения поведения молекул в квантовой среде и того, как меняется их движение при различных частотах вращения.

На этой неделе исследователи из Университета Британской Колумбии (UBC) и их коллеги из Фрайбургского университета описали новый метод в журнале Physical Review Letters.

Сложности, связанные с вращением молекул в жидкостях

«Управлять вращением молекулы, растворенной в любой жидкости, непросто», — говорит доктор Валерий Мильнер, доцент кафедры физики и астрономии Университета Британской Колумбии и ведущий автор статьи.

«Растворенные молекулы взаимодействуют с атомами или молекулами, из которых состоит жидкость, и в результате становятся больше, и их сложнее раскрутить. Представьте, что вы лепите снежок: маленький снежок легко катить, но чем больше к нему прилипает снега, тем сложнее это делать».

Сверхтекучие жидкости, такие как жидкий гелий, представляют собой необычную фазу вещества, которая возникает при температурах, близких к абсолютному нулю. В этом состоянии жидкость течет без вязкости. Несмотря на отсутствие трения, жидкость все равно окружает растворенные в ней молекулы и взаимодействует с ними.

«Вопрос, представляющий интерес для науки о квантовой материи, который поможет нам изучить этот новый подход, заключается в том, что происходит с сольватированной — растворенной — молекулой при переходе от обычной жидкости к квантовой сверхтекучей жидкости», — добавляет доктор Милнер.

Новый взгляд на оптические центрифуги

Традиционные оптические центрифуги использовались для вращения молекул в газах. В таких экспериментах вращающийся лазерный импульс взаимодействует с молекулами. Молекулы выстраиваются вдоль электрического поля лазерного луча и начинают вращаться вместе с ним.

Однако ранее этот подход не применялся для молекул, находящихся внутри сверхтекучей жидкости.

Чтобы преодолеть это ограничение, Милнер и его коллеги поместили молекулы в нанокапли гелия, легированные димерами оксида азота. Затем исследователи ввели небольшую задержку между лазерными импульсами. Благодаря этому интерференция между импульсами замедляла и стабилизировала вращение молекул, облегчая их вращение.

В результате значительно повысилась «вращательная способность» молекул, что позволило ученым контролировать их движение даже в окружающей их сверхтекучей жидкости.

Исследуя границы сверхтекучести

С помощью нового метода команда планирует изменять частоту вращения, используя то, что Милнер называет новой «рукояткой управления», — модифицированную центрифугу. Постепенно увеличивая скорость вращения, исследователи надеются определить критическую частоту, при которой молекулы внезапно теряют устойчивость к вращению.

Ожидается, что при превышении этого порога вращение молекул будет затухать гораздо быстрее, поскольку сверхтекучее состояние начнет разрушаться.

«Пока не совсем понятно, как и когда — например, на какой частоте — этот переход произойдет на таком крошечном атомном уровне, — говорит доктор Милнер. — Это ключевая область, которую мы изучаем в настоящее время».