I fisici hanno studiato il superfluido ³ È sotto confinamento su nanoscala da diversi anni ormai, poiché questo liquido unico presenta una ricca varietà di fasi con parametri di ordine complessi che possono essere stabilizzati. Sebbene gli studi passati abbiano raccolto molte osservazioni interessanti, un quadro completo e affidabile del superfluido ³ Lui in carcere deve ancora essere raggiunto.

I ricercatori dell'Università dell'Alberta hanno recentemente compiuto un enorme balzo in avanti in questa direzione, introducendo nuovi diagrammi di fase del superfluido ³ Egli sotto vari gradi di confinamento uniassiale. La loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , potrebbe far luce sulla progressiva stabilità della fase A del liquido esotico, scoprendo anche una regione in crescita di stato d'onda a densità di coppia stabile.

"L'idea di questo progetto è nata a metà degli anni 2000, quando ero uno studente di dottorato alla Northwestern University, "Giovanni Davis, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Stavo lavorando con il Prof. William Halperin, facendo studi sperimentali di superfluido ³ Lui, mentre nel gruppo del Prof. Jim Sauls uno studente di dottorato di nome Anton Vorontsov, ora professore alla Montana State University, stava esplorando idee sul superfluido ³ Lui in carcere".

Le idee sviluppate da Vorontsov oltre un decennio fa sono culminate in due interessanti articoli teorici, pubblicato nel 2005 e nel 2007. Il primo articolo prevedeva la formazione di un "muro di dominio" tra due tipi di superfluido. In fisica, i muri di dominio sono noti, tra l'altro, per la separazione dei domini microscopici nei materiali ferromagnetici e l'allineamento dei domini magnetici alla fine porta al ferromagnetismo macroscopico. Però, l'idea di pareti di dominio che separano due regioni di un fluido è molto meno intuitiva ed è quindi alquanto allettante.

"L'articolo di Vorontsov del 2007 ha portato questa idea ancora oltre e ha predetto che in una certa gamma di pressioni, temperature, e reclusione, queste pareti di dominio potrebbero organizzarsi e formare un "cristallo superfluido, '" ha detto Davis. "Questa idea di un materiale avente sia la struttura spaziale regolare di un cristallo che le proprietà di superfluido di un superfluido mi ha incuriosito da allora".

L'idea introdotta da Vorontsov ricorda in parte i supersolidi, un argomento che ha suscitato molto interesse nel campo della fisica alcuni anni fa. Però, il nuovo stato che ha descritto non inizia come uno stato solido, ma piuttosto come un fluido. È quindi molto più simile a ciò che si osserva nei cristalli liquidi, che può avere un ordinamento spaziale simile ai solidi e tuttavia rimanere liquido. Allo stesso modo in cui questi sono indicati come "cristalli liquidi", perciò, La previsione di Vorontsov potrebbe essere definita quella di un "cristallo superfluido".

Nel loro recente articolo, Davis e i suoi colleghi hanno deciso di utilizzare il termine più generico "onda di densità di coppia", per ridurre al minimo le polemiche. Indipendentemente dal termine che usavano, il loro obiettivo era cercare lo stato superfluido ordinato cristallino introdotto da Vorontsov.

"Dal momento in cui è stato pubblicato quel documento del 2007, Mi sono lentamente avvicinato all'esecuzione di questo esperimento." Ha detto Davis. "Dal 2010, il mio gruppo di ricerca indipendente ha costruito l'infrastruttura per raffreddare i liquidi ³ Lui alle temperature sub-millikelvin richieste, costruire i termometri necessari per misurare queste temperature e inventare tecniche sperimentali per misurare le proprietà dei superfluidi sotto confinamento".

Al fine di identificare nuovi metodi sperimentali per misurare le proprietà dei superfluidi sotto confinamento, i ricercatori hanno iniziato a utilizzare moderne tecniche di nanofabbricazione. Queste tecniche hanno permesso loro di confinare ³ Lui su scala nanometrica, che è ciò che alla fine differenzia i loro esperimenti da altri effettuati in passato.

"In realtà ci siamo imbattuti nella tecnica che abbiamo usato nel nostro studio, quello della risonanza meccanica, per errore, "Ha spiegato Davis. "Usiamo qualcosa chiamato risonanza di Helmholtz, il che significa che è una risonanza meccanica di un fluido. Questo è simile al fischio che si sente quando si soffia sulla parte superiore di una bottiglia di birra. Questo fischietto è un sistema massa-molla, dove la massa è il fluido nel collo della bottiglia e la molla è la comprimibilità della birra nella bottiglia."

Simile a quello che succede quando si soffia sulla parte superiore di una bottiglia di birra, la tecnica utilizzata da Davis e dai suoi colleghi si traduce in un sistema massa-molla interamente composto da superfluido. La frequenza del fischio risultante può quindi fungere da misura delle proprietà dello stato superfluido.

I ricercatori hanno scoperto per caso questa risonanza meccanica in uno dei loro precedenti esperimenti. Una volta capito di cosa si trattava, si sono resi conto che poteva aiutarli a perseguire i loro obiettivi di ricerca.

"Abbiamo passato molti anni a perfezionare questa tecnica, fino a gennaio del 2019 due dei miei membri del laboratorio, Il dottorando Alex Shook e il borsista post-dottorato Vaisakh Vadakkumbatt, partì per cercare finalmente questo stato cristallino superfluido nel liquido ³ Lui, "Ha detto Davis. "Non appena i dati hanno iniziato a circolare, Sapevo che stavamo per fare qualcosa di grosso. Ma per essere davvero fiduciosi, questi ragazzi hanno trascorso mesi e mesi a perfezionare l'acquisizione dei dati e ad assicurarsi che la nostra termometria fosse accurata."

Quando si tenta di calcolare le fasi previste in base alle loro osservazioni, i ricercatori non potevano fare affidamento su studi precedenti, poiché la loro tecnica sperimentale ha permesso loro di esplorare una gamma più ampia di pressioni e confinamenti rispetto a quelli riportati nei lavori precedenti, quindi le teorie a sostegno delle loro osservazioni non esistevano ancora. Hanno quindi deciso di condividere le loro osservazioni con un altro gruppo di ricerca guidato dal Prof. Joseph Maciejko, che li ha aiutati a svolgere i calcoli necessari.

"Lo studente del prof. Maciejko Pramodh Senarath Yapa ha eseguito calcoli delle transizioni di fase previste nelle stesse condizioni dei nostri esperimenti, ma lo abbiamo fatto in una sorta di 'doppio cieco', "Ha spiegato Davis. "Abbiamo dato a Pramodh i confinamenti corrispondenti ai nostri esperimenti e quali intervalli di pressione e temperatura stavamo esplorando, ma non ha rivelato le nostre precise temperature di transizione. Anziché, Pramodh ha fatto i calcoli e Alex Shook ha fatto l'analisi sperimentale e la costruzione dei diagrammi di fase e un giorno in una grande rivelazione li abbiamo messi insieme."

Notevole la concordanza tra i risultati dei calcoli effettuati da Pramodh e i diagrammi di fase elaborati da Shook, con parametri zero regolabili. I ricercatori sono stati così in grado di acquisire nuove importanti informazioni sulla progressiva stabilità del UN fase in superfluido ³ Lui, evidenziando anche una regione in crescita dello stato d'onda della densità di coppia stabile.

Sebbene questa sia una fisica profondamente fondamentale, esplorando cosa significa avere uno stato che ha un ordinamento spaziale, come un cristallo, ma anche quello è un superfluido, potrebbe avere importanti implicazioni per altri sistemi di materia condensata. Ad esempio, uno stato d'onda di densità di coppia simile è attualmente in esame nei superconduttori ad alta temperatura, quindi il lavoro dei ricercatori potrebbe influenzare anche il lavoro in quell'area.

"Per me, la parte più significativa di questa esperienza è stata quella di rafforzare la prossima generazione di ricercatori, tale Alex, Vaisakh e Pramodh, quel superfluido ³ È un sistema estremamente interessante, "Ha detto Davis. "È un sistema così ricco e pulito, con molto da esplorare. Posso solo sperare che anche alcuni dei lettori del nostro articolo abbiano questa sensazione e forse alcuni di loro troveranno il modo di studiare il superfluido ³ Lui."

Un ulteriore aspetto interessante dello studio condotto da Davis e dai suoi colleghi è che esplora come girare una 'manopola' sperimentale, come il confinamento, può effettivamente creare nuovi stati. Le "manopole" trasformate nella fisica sperimentale in genere includono cose come pressione, temperatura o campo magnetico.

Davis e la sua squadra, d'altra parte, erano in grado di controllare la fisica del superfluido ³ Usando il confinamento su nanoscala, che è una nuova pratica in questo campo di ricerca. Ci possono essere altri sistemi in cui il confinamento gioca un ruolo importante e anche questi potrebbero essere esaminati utilizzando tecniche simili.

"Questo è davvero solo l'inizio di questo progetto di ricerca, "Ha aggiunto Davis. "Nei nostri prossimi studi, vogliamo davvero usare la nostra tecnica per studiare in dettaglio questi muri di dominio. Mi piacerebbe caratterizzarli e capire esattamente la loro forma".

Nel loro lavoro futuro, i ricercatori hanno in programma di esplorare se potrebbe esserci qualche nuova fisica all'interno delle mura del dominio. Vorrebbero anche "improntare" i vari stati nei loro diagrammi di fase, al fine di dimostrare di essere in grado di comprendere le proprietà delle fasi descritte in dettaglio.

"Da parte mia superfluido ³ Mi interessava anche come esempio di fase topologica della materia (il mio principale ambito di ricerca), che si crede ospiti eccitazioni esotiche note come fermioni di Majorana, "Giuseppe Maciejko, un altro ricercatore coinvolto nello studio, ha detto a Phys.org. "In termini di ricerca futura, l'interazione tra l'ordine cristallino superfluido e la fisica Majorana è qualcosa che sono molto interessato a studiare, e questo dovrebbe essere sperimentalmente accessibile in questo sistema."

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