Los físicos han estado estudiando superfluidos ³ Él bajo confinamiento a nanoescala desde hace varios años, ya que este líquido único presenta una rica variedad de fases con parámetros de orden complejos que pueden estabilizarse. Si bien los estudios anteriores han recopilado muchas observaciones interesantes, una imagen completa y confiable de superfluido ³ Él bajo confinamiento aún no se ha alcanzado.

Investigadores de la Universidad de Alberta han dado recientemente un gran salto en esta dirección, mediante la introducción de nuevos diagramas de fase de superfluido ³ Él bajo diversos grados de confinamiento uniaxial. Su papel publicado en Cartas de revisión física , podría arrojar luz sobre la estabilidad progresiva de la fase A del líquido exótico, al mismo tiempo que se descubre una región creciente de estado de onda de densidad de pares estable.

"La idea de este proyecto se inició a mediados de la década de 2000, cuando era estudiante de doctorado en la Universidad Northwestern, "John Davis, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Estaba trabajando con el profesor William Halperin, haciendo estudios experimentales de superfluidos ³ Él, mientras que en el grupo del profesor Jim Sauls, un estudiante de doctorado llamado Anton Vorontsov, ahora profesor en la Universidad Estatal de Montana, estaba explorando ideas sobre superfluidos ³ Está bajo confinamiento ".

Las ideas desarrolladas por Vorontsov hace más de una década culminaron en dos interesantes artículos teóricos, publicado en 2005 y 2007. El primer artículo predijo la formación de un "muro de dominio" entre dos tipos de superfluidos. En física, se conocen los muros de dominio, entre otras cosas, para separar dominios microscópicos en materiales ferromagnéticos y la alineación de dominios magnéticos conduce finalmente al ferromagnetismo macroscópico. Sin embargo, la idea de paredes de dominio que separan dos regiones de un fluido es mucho menos intuitiva y, por lo tanto, es algo tentadora.

"El artículo de 2007 de Vorontsov llevó esta idea aún más lejos y predijo que en un cierto rango de presiones, temperaturas y encierro, Estos muros de dominio podrían organizarse y formar un 'cristal superfluido, ", Dijo Davis." Esta idea de un material que tiene tanto la estructura espacial regular de un cristal como las propiedades de superflujo de un superfluido me ha intrigado desde entonces ".

La idea introducida por Vorontsov recuerda en parte a los supersólidos, un tema que despertó mucho interés dentro del campo de la física hace unos años. Sin embargo, el nuevo estado que describió no comienza como un estado sólido, sino más bien como un fluido. Por tanto, es mucho más similar a lo que se observa en los cristales líquidos, que puede tener un orden espacial similar a los sólidos y, sin embargo, permanecer como líquido. De la misma forma en que estos se denominan 'cristales líquidos', por lo tanto, La predicción de Vorontsov podría llamarse la de un "cristal superfluido".

En su artículo reciente, Davis y sus colegas decidieron utilizar el término más genérico 'onda de densidad de pares', para minimizar la controversia. Independientemente del término que usaron, su objetivo era buscar el estado superfluido ordenado cristalino introducido por Vorontsov.

"Desde el momento en que se publicó ese artículo de 2007, Poco a poco me he ido preparando para realizar este experimento ". Dijo Davis." Desde 2010, mi grupo de investigación independiente ha estado construyendo la infraestructura para enfriar líquidos ³ Él a las temperaturas sub-milikelvin requeridas, construir los termómetros necesarios para medir estas temperaturas e inventar técnicas experimentales para medir las propiedades de los superfluidos en confinamiento ".

Con el fin de identificar nuevos métodos experimentales para medir las propiedades de los superfluidos en confinamiento, los investigadores comenzaron a utilizar técnicas modernas de nanofabricación. Estas técnicas les permitieron confinar ³ Él a la nanoescala, que es lo que en última instancia diferencia sus experimentos de otros realizados en el pasado.

"De hecho, nos topamos con la técnica que usamos en nuestro estudio, el de la resonancia mecánica, por accidente, "Davis explicó." Usamos algo llamado resonancia de Helmholtz, lo que significa que es una resonancia mecánica de un fluido. Esto es similar al silbido que se obtiene cuando soplas en la parte superior de una botella de cerveza. Este silbato es un sistema de resorte en masa, siendo la masa el líquido en el cuello de la botella y el resorte la compresibilidad de la cerveza en la botella ".

Similar a lo que sucede al soplar a través de la parte superior de una botella de cerveza, la técnica utilizada por Davis y sus colegas da como resultado un sistema de resorte de masa compuesto enteramente de superfluido. La frecuencia del silbido resultante puede actuar como una medida de las propiedades del estado superfluido.

Los investigadores revelaron esta resonancia mecánica por accidente en uno de sus experimentos anteriores. Una vez que entendieron lo que era, se dieron cuenta de que podría ayudarles a perseguir sus objetivos de investigación.

"Pasamos muchos años perfeccionando esta técnica, hasta que en enero de 2019 dos de los miembros de mi laboratorio, El estudiante de doctorado Alex Shook y el becario postdoctoral Vaisakh Vadakkumbatt, partió para buscar finalmente este estado de cristal superfluido en líquido ³ Él, ", Dijo Davis." Tan pronto como los datos comenzaron a llegar, Sabía que estábamos en algo grande. Pero para tener mucha confianza estos muchachos pasaron meses y meses refinando la adquisición de datos y asegurándose de que nuestra termometría fuera precisa ".

Al intentar calcular las fases esperadas en función de sus observaciones, los investigadores no podían confiar en estudios previos, como su técnica experimental les permitió explorar una gama más amplia de presiones y confinamientos que los reportados en trabajos anteriores, por lo que aún no existían teorías que respaldaran sus observaciones. Por lo tanto, decidieron compartir sus observaciones con otro equipo de investigación dirigido por el profesor Joseph Maciejko, quien les ayudó a realizar los cálculos necesarios.

"El alumno del profesor Maciejko, Pramodh Senarath Yapa, realizó cálculos de las transiciones de fase esperadas en las mismas condiciones que nuestros experimentos, pero lo hicimos de una manera 'doble ciego', Davis explicó. Le dimos a Pramodh los confinamientos correspondientes a nuestros experimentos y los rangos de presión y temperatura que estábamos explorando. pero no reveló nuestras temperaturas de transición precisas. En lugar de, Pramodh hizo los cálculos y Alex Shook hizo el análisis experimental y la construcción de los diagramas de fase y un día en una gran revelación los reunimos ".

La concordancia entre los resultados de los cálculos realizados por Pramodh y los diagramas de fase ideados por Shook fue notable, con cero parámetros ajustables. De este modo, los investigadores pudieron obtener una nueva información importante sobre la estabilidad progresiva de la A fase en superfluido ³ Él, al mismo tiempo que destaca una región creciente del estado de onda de densidad de pares estable.

Si bien esto es una física profundamente fundamental, explorar lo que significa tener un estado que tiene ordenamiento espacial, como un cristal, pero eso también es un superfluido, podría tener implicaciones importantes para otros sistemas de materia condensada. Por ejemplo, un estado de onda de densidad de par similar se está examinando actualmente en superconductores de alta temperatura, por lo que el trabajo de los investigadores también podría influir en el trabajo en esa área.

"Para mi, la parte más significativa de esta experiencia ha sido el refuerzo para la próxima generación de investigadores, tal Alex, Vaisakh y Pramodh, ese superfluido ³ Es un sistema intensamente interesante, "Dijo Davis." Es un sistema tan rico y limpio, queda mucho por explorar. Solo puedo esperar que algunos de los lectores de nuestro artículo también tengan esta sensación y tal vez algunos de ellos encuentren la manera de estudiar los superfluidos. ³ Él."

Otro aspecto interesante del estudio llevado a cabo por Davis y sus colegas es que explora cómo girar una 'perilla' experimental, como el confinamiento, realmente puede crear nuevos estados. Las 'perillas' convertidas en física experimental generalmente incluyen cosas como presión, temperatura o campo magnético.

Davis y su equipo, por otra parte, fueron capaces de controlar la física de superfluidos ³ Él usa confinamiento a nanoescala, que es una práctica nueva en esta área de investigación. Puede haber otros sistemas en los que el confinamiento desempeñe un papel importante y estos también podrían examinarse utilizando técnicas similares.

"Este es realmente solo el comienzo de este proyecto de investigación, ", Agregó Davis." En nuestros próximos estudios, realmente queremos utilizar nuestra técnica para estudiar estos muros de dominio en detalle. Me gustaría caracterizarlos y entender exactamente su forma ".

En su trabajo futuro, los investigadores planean explorar si puede haber alguna física nueva dentro de las paredes del dominio. También les gustaría hacer una 'huella digital' de los distintos estados en sus diagramas de fase, para demostrar que son capaces de comprender las propiedades de las fases que describieron en detalle.

"En mi extremo superfluido ³ También fue de interés como ejemplo de fase topológica de la materia (mi principal área de investigación), que se cree que alberga excitaciones exóticas conocidas como fermiones de Majorana, "Joseph Maciejko, otro investigador involucrado en el estudio, dijo Phys.org. "En términos de investigación futura, la interacción del orden cristalino superfluido y la física de Majorana es algo que estoy muy interesado en estudiar, y esto debería ser accesible experimentalmente en este sistema ".

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