Физики впервые получили сильно заряженные капли сверхтекучего гелия

Физики из Австралии, Бразилии и Великобритании впервые получили нанокапли сверхтекучего гелия-4 с электрическим зарядом больше двух зарядов электрона. Для этого ученые несколько раз отбирали капли и облучали их электронами с энергией порядка нескольких сотен электронвольт. Максимальный заряд полученной таким образом капли составлял 55, а среднее время жизни капель составляло нескольких миллисекунд. Это позволило ученым проверить, как максимальный заряд капли связан с ее размером. Статья опубликована в Physical Review Letters и находится в открытом доступе, кратко о ней сообщает Physics.

Если охладить гелий-4 до температуры менее четырех градусов Кельвина, он превратится в сверхтекучую жидкость — необычную фазу вещества, в которой полностью отсутствует вязкое трение. На макроскопических масштабах сверхтекучие жидкости изучены достаточно хорошо. В то же время, на более мелких масштабах, на которых квантовые эффекты играют существенную роль, поведение сверхтекучих жидкостей изучено гораздо хуже.

В частности, до недавнего времени физики не знали, как разрушается нанокапля жидкого гелия — один из простейших объектов, в которых проявляются микроскопические свойства сверхтекучей жидкости. Конечно, ученые предполагали, что заряженная капля будет нестабильной и быстро распадется на более мелкие капли. По крайней мере, эксперименты показывали, что от единичного электрического заряда капля довольно быстро избавляется, выбрасывая заряженный ион. Тем не менее, сообщить нанокапле электрический заряд больше двух физикам до сих пор не удавалось, поэтому более сложные ситуации исследовались только теоретически.

Группа исследователей под руководством Майкла Гэтчелла (Michael Gatchell) впервые получила сильно заряженные нанокапли сверхтекучего гелия и непосредственно проследила за их распадом. Максимальный полученный заряд капли равнялся 55. Интересно, что даже такие сильно заряженные капли оставались стабильными на протяжении нескольких миллисекунд. После этого капли начинали постепенно терять заряд и массу, испуская ионы.

Чтобы получить нанокапли, ученые пропускали сверхчистый (концентрация примесей менее 10⁻⁶) газообразный гелий сквозь узкое (диаметром пять микрометров) сопло, охлажденное до четырех кельвинов. В результате газ конденсировался в маленькие капли, содержащие от ста тысяч до десяти миллионов атомов. Затем исследователи облучали капли пучком электронов с энергией порядка нескольких сотен электронвольт. В результате капели приобретали ненулевой электрический заряд, причем одни капли заряжались отрицательно, а другие положительно. После этого с помощью сферического электростатического анализатора ученые отбирали капли с определенным отношением массы к заряду и снова облучали их пучком электронов, чтобы зарядить их еще сильнее.

В результате оказалось, что отношение массы к заряду капель, полученных после второй волны ионизации, в рациональное число раз больше, чем отношение массы к заряду у отобранных капель. Это означает, что после второй ионизации масса капель остается неизменной, тогда как электрический заряд может вырасти (если энергия электронов больше энергии ионизации) или упасть (в противоположном случае). При этом суммарный заряд капли достигал 55.

Полученные сильно заряженные капли жили недолго (несколько миллисекунд), однако ученым хватило этого периода, чтобы измерить минимально возможный размер капли с заданным зарядом. Оказалось, что максимальный заряд, который можно «запихать» в каплю, прямо пропорционален площади ее поверхности, то есть квадрату радиуса. При этом сообщить двойной заряд можно каплям, содержащим более ста тысяч атомов гелия, а 55-кратный заряд помещается только в капли из десяти миллионов атомов.

Качественно полученная зависимость согласуется с теоретическим результатом, полученным в теории классической заряженной жидкости: эта теория в несколько раз завышает минимальный размер капель, однако предсказывает правильную степенную зависимость. Грубо говоря, в этой теории заряды пытаются удалиться друг от друга на максимально возможное расстояние, а потому равномерно распределяются по поверхности капли; отдаленно такая капля напоминает мыльный пузырь. Если же суммарный заряд превышает критическое значение, капля просто разрывается. Поскольку в реальности электрический заряд квантуется, классическую теорию очевидно нужно «подправить». Авторы статьи считают, что такого исправления будет достаточно, чтобы «помирить» теорию с экспериментом.

Также физики отмечают, что заряженные центры, погруженные в каплю сверхтекучего гелия, служат центрами кристаллизации для примесей, растворенных в жидкости — следовательно, с помощью сильно заряженных капель можно одновременно производить несколько десятков наночастиц. Более того, новый метод позволяет более тонко настраивать размеры и свойства синтезируемых наночастиц, чем метод с электрически нейтральными каплями гелия. Также исследователи утверждают, что заряженные капли можно использовать для усиления сигнала в ионной спектроскопии.

Хотя Петр Капица получил сверхтекучий гелий более семидесяти лет назад, физики до сих пор находят в этом веществе новые необычные эффекты. Например, в апреле 2015 года физики из Новой Зеландии и США определили «запрещенное» число Рейнольдса для сверхтекучих жидкостей. В июне того же года японский ученый показал, что в таких жидкостях можно плавать несмотря на отсутствие вязкого трения. В июле 2019 физики из Франции и Великобритании с помощью универсального инструмента — наномеханического резонатора — измерили три режима затухания в сверхтекучем гелии-4. А немного ранее японские исследователи подтвердили, что сверхтекучий гелия-3 можно описывать как хиральную жидкость.

Дмитрий Трунин