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.

Образование и исчезновение многоэлектронного пузырька при температуре ниже лямбда-точки. Neha Yadav et al./ Phys Rev B, 2020

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.

Устройство установки для генерации многоэлектронных пузырьков. Neha Yadav et al./ Phys Rev B, 2020

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.

Поведение жидкого гелия после включения ультразвука. Neha Yadav et al./ Phys Rev B, 2020

Стабилизация формы жидкого гелия и падение капель. Neha Yadav et al./ Phys Rev B, 2020

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.

Моделирование плотности заряда: (зеленый штрих) распределение с учетом ямы, (красная линия) распределение в отсутствие деформации. Neha Yadav et al./ Phys Rev B, 2020

Зависимость плотности заряда от ширины ямки. Neha Yadav et al./ Phys Rev B, 2020

Экспериментальные фотографии реальных ямок. Neha Yadav et al./ Phys Rev B, 2020

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.

Маршрут пузырька при включении положительного напряжения и отрицательного напряжения. Neha Yadav et al./ Phys Rev B, 2020

Концентрация электронов в зависимости от размеров пузырька: красные точки – реальная оценка исходя из маршрута пузырька. Neha Yadav et al./ Phys Rev B, 2020

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.

Автор: Артем Моськин
Источник: https://nplus1.ru/

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!