Ультразвук надул многоэлектронные пузырьки в жидком гелии

Индийские физики предложили новый метод генерации многоэлектронных пузырей в жидком гелии с помощью ультразвука. Это позволило увеличить плотность заряда в пузыре и наблюдать пузырь даже после конденсации газообразного гелия. Новый метод планируется использовать для изучения влияния кривизны поверхности и квантовых взаимодействий на двумерную электронную систему. Статья опубликована в журнале Physical Review B.

На поверхности жидкого гелия на электрон воздействуют две силы: кулоновское отталкивание из-за принципа Паули и притяжение за счет поляризации жидкости. Благодаря этому над поверхностью жидкого гелия возникает двумерная электронная система. При достаточно большой плотности электронов на поверхности может трансформироваться в многоэлектронный пузырек — полость в жидкости, содержащая много электронов. Многоэлектронные пузырьки помогут исследовать взаимодействие электронов на кривых поверхностях и позволят достигнуть концентрации электронов более 2×10¹³ на квадратный метр — при столь большой концентрации проявляются квантовые эффекты такие как квантовое плавление.

Чтобы подавить неустойчивость до достижения высокой концентрации электронов, ученые используют заряженную тонкую пленку жидкого гелия. Такой подход ограничен поверхностными дефектами подложки и потерей электронов, скользящих вдоль квантовых вихрей, но при этом у ученых получилось довести концентрацию электронов до 10¹⁵ на квадратный метр. Однако до сих пор не было экспериментального наблюдения за квантовым плавлением двумерной электронной системы — хотя это позволило бы уточнить поведение электронов в двумерной системе.

Группа индийских физиков под руководством Амбариша Гоша (Ambarish Ghosh) из Индийского института наук предложили создавать неустойчивость заряженной поверхности жидкого гелия с помощью ультразвука, сфокусированного вблизи от заряженной поверхности. Для зарядки поверхности ученые использовали фольгу из бета-радиоактивного никеля-63. Для наблюдения за поведением жидкого гелия авторы снимали все на высокоскоростную камеру со скоростью съемки в 10000 кадров в секунду.

При превышении критической интенсивности ультразвука поверхность гелия деформировалась и из нее вылетали капельки. Через четыре миллисекунды капли образовали жидкий столбик, который недолго продолжал движение вверх, а затем возвращался к поверхности. При этом столбик снова разбивался на капли миллиметрового размера, которые после удара о поверхность образовывали глубокую ямку. Благодаря малой кривизне и давящему электрическому полю в ней концентрировались электроны, что и приводило к электрогидродинамической неустойчивости — образованию многоэлектронных пузырьков.

Ученые выделили три параметра, влияющие на образование пузырьков: длительность акустического воздействия, напряжение на акустическом источнике и напряжение на верхнем кольце, которое контролировало электрическое поле над жидким гелием. На верхнее кольцо подавали напряжение в −500 и −900 вольт — чем выше было напряжение, тем больше была вероятность получить многоэлектронный пузырь. Такая же тенденция была и при варьировании напряжения на акустическом источнике.

Чтобы оценить распределение заряда на поверхности гелия, физики смоделировали две ситуации: с акустической деформацией поверхности и без нее. За счет большой подвижности свободных электронов на поверхности заряд может перераспределиться по поверхности быстрее, чем деформируется поверхность — исходя из этого ученые приняли, что заряды в любой момент времени находятся в электрическом равновесии. Для каждой конфигурации напряжения ученые рассчитали распределение заряда плоской поверхности, чтобы получить полный заряд поверхности. Например, для напряжения верхнего кольца в −200 вольт, а окружающего цилиндра в −500 вольт максимальная плотность заряда — 10¹³ на метр квадратный. Ученые так же установили зависимость концентрации электронов от ширины ямы — чем она уже, тем больше плотность заряда в центре ямы.

Гелиевый пар внутри пузырька очень быстро конденсировался ниже лямбда точки, из-за чего размер пузыря резко уменьшался и исчезал — у ученых не было возможности наблюдать за пузырьками менее десяти микрометров. Ученые теоретически рассчитали, сколько электронов может находиться в пузырьках с размеров в десять микрометров при 1,9 Кельвинах — их оказалось 270 тысяч. Чтобы сделать более точные измерения числа электронов, физики провели эксперимент при 2,5 Кельвинах (выше лямбда точки). В таких условиях теплопроводность гелия хуже, а потому уменьшение размера пузырька протекало медленнее (одна секунда против миллисекунд).

После образования пузырьков к верхнему кольцу ученые приложили положительное напряжение, чтобы притянуть пузыри ближе к поверхности, а затем отрицательное, чтобы оттолкнуть. С помощью наблюдения за движением пузырька ученые оценили реальные границы плотности заряда — по энергии такая концентрация соответствует промежутку между 10 и 50 процентами от тепловой энергии пузырика, что подтверждает значительный вклад квантовых флуктуаций. Таким образом, авторы предложили новый метод получения многоэлектронных пузырей — в сравнении с пузырями, полученными с помощью ограниченной полевой эмиссии, начальная плотность заряда на поверхности оказалась выше, а пузыри можно наблюдать даже после конденсации пара. В будущем это поможет лучше изучить роль кривизны и квантовых взаимодействий в системе электронов.

Двумерные системы в жидком гелии активно изучаются. Четыре года назад Нобелевской премией наградили Таулесса, Халдейна и Костерлица за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи — в частности их теория (Березинского-Костерлица-Таулесса) описывала сверхтекучее состояние тонкой пленки жидкого гелия. А год назад тонкий слой гелия физики нарастили на углеродных нанотрубках, а также им удалось проследить скачкообразное наращивание атомных слоев гелия.

Артем Моськин