Οι φυσικοί έχουν αναπτύξει έναν νέο τρόπο ελέγχου της περιστροφής των μορίων μέσα σε μικροσκοπικά σταγονίδια υγρού ηλίου, σηματοδοτώντας μια σημαντική πρόοδο στη μελέτη των υπερρευστών. Χρησιμοποιώντας μια ειδικά σχεδιασμένη οπτική φυγόκεντρο, η ομάδα μπόρεσε να περιστρέψει με ακρίβεια μόρια αιωρούμενα σε υγρά νανοσταγονίδια ηλίου, δίνοντας στους επιστήμονες ένα ισχυρό νέο εργαλείο για να εξερευνήσουν αυτά τα ασυνήθιστα υλικά χωρίς τριβή.
Το επίτευγμα αντιπροσωπεύει την πρώτη επιτυχημένη επίδειξη ελεγχόμενης μοριακής περιστροφής μέσα σε ένα υπερρευστό. Οι ερευνητές μπορούν τώρα να προσαρμόσουν άμεσα τόσο την κατεύθυνση όσο και την ταχύτητα της περιστροφής ενός μορίου, καθιστώντας δυνατή τη διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο τα μόρια αλληλεπιδρούν με το κβαντικό τους περιβάλλον σε διαφορετικές περιστροφικές συχνότητες. Η εργασία, με επικεφαλής ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας (UBC), δημοσιεύτηκε σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο του Φράιμπουργκ Επιστολή φυσικής αναθεώρησης.
«Ο έλεγχος της περιστροφής ενός μορίου διαλυμένου σε οποιοδήποτε υγρό είναι μια πρόκληση», δήλωσε η Δρ. Valerie Milner, αναπληρώτρια καθηγήτρια φυσικής και αστρονομίας στο UBC και συγγραφέας της εργασίας.
“Τα διαλυμένα μόρια αλληλεπιδρούν με τα ατομικά ή μοριακά συστατικά του υγρού, ουσιαστικά γίνονται μεγαλύτερα και πιο δύσκολα στην περιστροφή. Φανταστείτε να χτίζετε μια χιονόμπαλα: όταν είναι μικρή είναι εύκολο να μετακινηθεί, αλλά καθώς προστίθεται περισσότερο χιόνι, γίνεται πιο δύσκολο.”
Κατανόηση των υπερρευστών
Τα υπερρευστά, όπως το υγρό ήλιο που ψύχεται σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, είναι μια ασυνήθιστη κατάσταση της ύλης που ρέει χωρίς ιξώδες. Αν και δεν έχουν εσωτερική τριβή, λειτουργούν ως διαλύτες, επιτρέποντας στα μόρια να διαλυθούν μέσα τους.
«Το ζήτημα του ενδιαφέροντος για την επιστήμη των κβαντικών υλικών, και αυτή η νέα προσέγγιση θα μας βοηθήσει να εξερευνήσουμε, είναι τι αλλάζει από τη σκοπιά των διαλυμένων — διαλυμένων — μορίων όταν πηγαίνετε από ένα κανονικό ρευστό σε αυτό το είδος κβαντικού υπερρευστού», πρόσθεσε ο Δρ Μίλνερ.
Μια νέα τεχνική οπτικής φυγοκέντρησης
Οι συμβατικές οπτικές φυγόκεντρες έχουν χρησιμοποιηθεί για την περιστροφή μορίων σε αέρια εκθέτοντας τα σε περιστρεφόμενους παλμούς λέιζερ. Καθώς το ηλεκτρικό πεδίο του λέιζερ περιστρέφεται, τα μόρια του αερίου ευθυγραμμίζονται με αυτό και αρχίζουν να περιστρέφονται. Μέχρι στιγμής, ωστόσο, η ίδια προσέγγιση δεν ήταν επιτυχής με μόρια βυθισμένα σε υπερρευστά.
Για να ξεπεράσουν αυτόν τον περιορισμό, ο Δρ. Μίλνερ και οι συνεργάτες του ενσωμάτωσαν τα μόρια σε νανοσταγονίδια ηλίου εμποτισμένα με διμερή νιτρικού οξειδίου. Στη συνέχεια εισάγουν μια μικρή καθυστέρηση μεταξύ των παλμών λέιζερ. Η προκύπτουσα παρεμβολή δημιουργεί έναν πολύ πιο αργό, σταθερό ρυθμό περιστροφής που διευκολύνει την περιστροφή των μορίων, την οποία οι ερευνητές περιγράφουν ως «ικανότητα περιστροφής».
Εξερευνώντας τα όρια της υπερρευστότητας
Οι ερευνητές σχεδιάζουν τώρα να αλλάξουν τη συχνότητα περιστροφής (χρησιμοποιώντας ένα νέο «κόμβο ελέγχου» που παρέχεται από τη νέα φυγόκεντρο) για να εντοπίσουν ένα κρίσιμο σημείο όπου η μοριακή περιστροφή αναμένεται να επιβραδυνθεί δραματικά καθώς το υπερρευστό αρχίζει να διασπάται.
“Δεν είναι καλά κατανοητό πώς και πότε — για παράδειγμα με ποια συχνότητα — συμβαίνει αυτή η μετάβαση σε τόσο μικρή ατομική κλίμακα”, είπε ο Δρ Μίλνερ “Αυτή είναι η κύρια περιοχή που ερευνούμε αυτή τη στιγμή.”
Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Συμβούλιο Έρευνας Φυσικών Επιστημών και Μηχανικής του Καναδά, το Ίδρυμα Καινοτομίας του Καναδά και το Ταμείο Ανάπτυξης Γνώσης BC.
