Волны жидкого гелия передались плавающим на нем электронам

Физики подробно исследовали то, какие колебания испытывает электронный ток на поверхности жидкого гелия, разгоняемый микроволновым излучением в присутствии магнитного поля. Они обнаружили низкочастотную модуляцию, вызванную волнами деформации поверхности гелия, за которую ответственно прижимающее электрическое поле. Комплексный анализ электронной динамики показал ее устойчивость ко внешним возмущениям, что делает ее похожей на динамику некоторых биологических систем. Исследование опубликовано в Physical Review B.

Электроны на поверхности жидкого гелия стали в последние годы перспективной альтернативой твердотельным физическим платформам для реализации двумерного электронного газа. Они естественным образом левитируют над поверхностью жидкости из-за баланса отрицательного сродства к гелию и отличной от единицы поляризуемости атомов. Во время движения электроны могут сталкиваться с гелиевым паром и волнами возмущения на поверхности жидкости, однако при достаточно низких температурах (менее кельвина) эти взаимодействия ослабевают, а подвижность частиц становится очень большой.

Манипуляции над поверхностными электронами включают в себя облучение микроволновым излучением и наведением сильного магнитного поля, квантующего их движение. Физики сообщают о наблюдении нелинейных осцилляций электронной плотности, которые были объяснены в рамках магнитоплазмонного подхода, то есть с помощью гибридных квазичастиц, объединяющих микроволновое излучение с возбуждениями электронов в магнитном поле. Однако электроны на поверхности жидкого гелия подвержены колебаниями на более низких частотах, которые изучены недостаточно хорошо.

Группа физиков из Ланкастерского университета вместе с Константином Наседкиным (Kostyantyn Nasyedkin) из Ок-Риджской национальной лаборатории США и Кимитоси Коно (Kimitoshi Kono) из Национального университета Ян Мин Цзяодун, Тайвань, решила закрыть этот пробел. В своем исследовании авторы измеряли колебания электронов в магнитном поле, ускоряемых микроволновым излучением. Они обнаружили, что низкочастотная модуляция, которая накладывается на колебания с высокой частотой, связана с деформацией поверхности жидкого гелия.

Экспериментальная установка, использованная в работе, состояла из небольшой цилиндрической ванны, наполненной жидким гелием на высоту 1,3 миллиметра при температуре 0,3 кельвина. Сверху и снизу от нее физики располагали систему электродов. Она состояла из нескольких сегментов, часть из которых не давала инжектированным электронам покинуть поверхность, часть прижимала электронных газ и контролировала плотность частиц, а часть измеряла электронный ток в разных областях поверхности.

Ученые прикладывали к электронному газу магнитное поле, квантовавшее орбиты частиц, а также облучали электроны микроволнами вдоль поверхности гелия. Зависимость тока от времени на электродах менялась в зависимости от того, облучались ли электроны или нет, однако выглядела как шум. Тем не менее, авторы применяли к ней вейвлет-анализ и в условии резонанса между электронными уровнями и излучением обнаружили модуляцию магнитоплазмонных колебаний с частотой 5,2 герца, которая не зависела от напряжений на управляющих электродах или электронной плотности.

Физики предположили, что этот пик мог бы быть вызван небольшой (до 0,1 миллиметра) деформацией поверхности жидкости под давлением, создаваемым электронами. Моделирование показало, что эти деформации не статичны — они развиваются как радиальные волны с частотой 5,28 герца. Магнитоплазмонная теория также показала согласие с экспериментом на высоких частотах.

Поведение электронов в эксперименте имело признаки хронотаксичности (chronotaxicity), то есть способности системы сохранять свою устойчивость под действием постоянных возмущений. Таким поведение обычно обладают биологические, а не физические системы. Работа авторов поможет исследовать это явление в более контролируемых условиях.

Электроны не только способны плавать на поверхности жидкого гелия, но и формировать пузыри, будучи утопленными в нем. Ранее мы рассказывали, как ультразвук помог контролировать этот процесс.