Nadciekłość to wyjątkowy stan materii pojawiający się w bardzo niskich temperaturach, bliskich zeru absolutnemu. W takich warunkach ciecz – najczęściej ciekły hel – traci lepkość i może płynąć bez oporu, zachowując się bardziej jak układ kwantowy niż zwykły płyn. Zjawisko to od lat fascynuje fizyków, ponieważ pozwala obserwować efekty kwantowe w skali znacznie większej niż pojedyncze atomy czy elektrony.
Czytaj też: Fizycy stworzyli katapultę, a teraz strzelają z niej elektronami. Zbliżają się do granic fizyki
Dotychczas jednak bardzo trudno było kontrolować ruch cząsteczek zanurzonych w takim środowisku. W normalnych cieczach obracające się cząstki oddziałują z otaczającymi je atomami, co powoduje opór i spowalnia rotację. W przypadku nadciekłego helu sytuacja jest bardziej złożona. Mimo że ciecz nie posiada lepkości, nadal oddziałuje z cząsteczką znajdującą się w jej wnętrzu, co utrudnia precyzyjne sterowanie ruchem molekularnym.
Zespół badawczy z University of British Columbia oraz Uniwersytetu we Fryburgu opracował nową wersję tzw. optycznej wirówki, a więc techniki wykorzystującej impulsy laserowe do rozpędzania cząsteczek do bardzo dużych prędkości obrotowych. W klasycznych eksperymentach metoda ta działała głównie w gazach, gdzie cząsteczki mogą obracać się niemal bez przeszkód. Teraz naukowcy dostosowali ją tak, aby działała także w nadciekłym helu.
Nadciekły hel tworzy środowisko, w którym nie występuje tarcie
W eksperymencie cząsteczki zostały umieszczone w mikroskopijnych kroplach helu o temperaturze zaledwie o ułamek stopnia wyższej od tzw. zera absolutnego. Do kropli wprowadzono dimery tlenku azotu, a następnie skierowano na nie serię specjalnie zaprogramowanych impulsów laserowych. Dzięki precyzyjnemu opóźnieniu pomiędzy impulsami powstała interferencja światła, która umożliwiła stopniowe rozpędzanie cząsteczek i kontrolę ich rotacji nawet w tak nietypowym środowisku.
Kluczowym osiągnięciem było uzyskanie pełnej kontroli nad prędkością oraz kierunkiem obrotu cząstek. Naukowcy mogą teraz regulować częstotliwość rotacji i obserwować, jak zmienia się zachowanie molekuł w miarę zwiększania energii obrotowej. Pozwala to badać granice nadciekłości oraz moment, w którym interakcje z otaczającym środowiskiem zaczynają destabilizować ruch molekularny.
Czytaj też: Silnik przyszłości nie potrzebuje większej mocy. Potrzebuje lepszego materiału
Jednym z najważniejszych celów dalszych badań jest znalezienie tzw. częstotliwości krytycznej. Po jej przekroczeniu obracająca się cząsteczka może zacząć tracić stabilność, a jej energia rotacyjna będzie szybko rozpraszana w nadciekłym środowisku. Zrozumienie tego procesu może pomóc wyjaśnić, jak na poziomie atomowym powstają i zanikają zjawiska nadciekłości. Nowa metoda daje fizykom zupełnie nowe narzędzie do badania dynamiki cząsteczek w środowiskach kwantowych. Precyzyjna kontrola rotacji molekuł może pomóc w analizie oddziaływań między cząsteczką a otaczającą ją cieczą kwantową, a także w badaniu defektów i wirów kwantowych powstających w nadciekłych płynach. Takie eksperymenty mogą w przyszłości przyczynić się do lepszego zrozumienia zjawisk występujących w fizyce materii skondensowanej oraz w technologiach kwantowych.
Źródło: Physical Review Letters
