Исследование: удар от поверхности лишил нанокапли гелия сверхтекучести

11:25 05 Январь Киев, Украина

Нанокапли сверхтекущего гелия при соприкосновении с металлической поверхностью утратили свои сверхтечные свойства и разбрызгались подобно воде. Причем в результате этого им удалось защитить подмешанные в них ионы, которые иначе бы нейтрализовали свой заряд из-за столкновения с поверхностью. Открытый эффект должен упростить физикам эксперименты по масс-спектроскопии ионов. Как теперь предлагают работать с мечеными гелием ионами, ученые сообщили в Physical Review Letters.
 
Фото: Эволюция формы нанокапли гелия при вращении. B. Langbehn на al. / Physical Review Letters, 2018

Что делать с гелиевыми нанокаплями?

Ниже критической температуры (2,17 кельвина для гелия-4) мы уже не можем говорить о гелии как о классической жидкости, где отдельные атомы хаотически движутся с разными энергиями. Он приобретает квантовые свойства, беспрепятственно вытекает сквозь малейшие трещины и даже способен подниматься стенками сосуда и переливаться через край. При сверхнизких температурах у него просто исчезает трение.

Несмотря на то, что гелий является весьма специфическим материалом, его сверхтечные свойства дают возможность исследовать, как атомы и молекулы ведут себя при низких температурах в химически инертной среде. Например, нанокрапли из него активно используются как основа для экспериментов с молекулами и атомами при температурах ниже одного кельвина (т.е. ниже -272,15 градуса Цельсия), где те смогут образовывать кластеры через столкновения. Также гелиевые нанокрапли легко поддаются ионизации, поэтому физики могут использовать методы от электронной ионизации до фотоионизации лазерами на свободных электронах.

Как разбрызгивается гелий?

Уже известно, что кластеры частиц внутри нанокрапеля гелия способны выдерживать их столкновение с поверхностями и избегать разрушения. Когда заряженные частицы сталкиваются с металлической пластиной, они нейтрализуются свободными электронами с поверхности металла и становятся невидимыми для масс-спектрометра. Исследователи считают, что разбрызгивание капель предотвращает непосредственное взаимодействие ионов легирующей примеси с металлической поверхностью. То есть окруженные гелием ионы могут избегать этого и разлетаться по поверхности дальше с несколькими слабосвязанными атомами гелия.

Чтобы исследовать, действительно ли легирующий материал внутри нанокрапель гелия способен избежать разрушения, оставаясь связанным с ними, ученые исследовали рассеяние фуллерена С60 от металлической поверхности с числом Вебера, равным 1670 - по мнению ученых, именно такое его значение может обеспечить нанокаплям гелия разбрызгивание и распад на вторичные капли, которые отнесут с собой примеси.
 
Фото: Схема эксперимента, где по пути пучка нанокрапель гелия расположен первый экран (G1), а на расстоянии в полтора миллиметра перпендикулярно второй (G2). Рядом – полученные ТЕМ изображения. Paul Martini на al. / Physical Review Letters, 2021
 
Для исследования ученые подготовили экспериментальную установку, где по пути пучка нейтральных легированных капель поместили экраны трансмиссионного электронного микроскопа : один напротив, а другой — перпендикулярно. И наночастицы допантов были не только на первом, но и на втором, что свидетельствует о том, что при столкновении капель с поверхностью некоторым удалось улететь под углом 90 градусов. На это может быть два объяснения: либо наблюдаемые ионы возникают в результате фрагментации самих капель, либо падающие капли удаляют и ионизируют материал с поверхности, осажденный предыдущими каплями. Последнее наблюдалось с аргоном: перенесенный каплями он оставался на поверхности, а затем попадал во вторую «партию».

Поэтому, чтобы предотвратить второй вариант, ученые повторили эксперименты с нелегированными ионизированными каплями, соприкасающимися с предварительно покрытой разными типами веществ поверхностью. Тогда экранам микроскопа удалось поймать только кластерные ионы чистого гелия, а значит, дело было именно в разбрызгивании капель. Этот эффект ученые объясняют так: скорость полета нанокрапель составляла от 120 до 250 метров в секунду, что больше критической скорости Ландау и, соответственно, верхнего предела сверхтекучести. Поэтому гелий вполне мог начать вести себя как обычная жидкость при столкновении с поверхностью. Поэтому в будущих экспериментах ученые планируют разобраться с другими параметрами кинематики разбрызгивания, например состав поверхности или угол падения, чтобы этот эффект можно было эффективно использовать для исследований.