超流動ガス中で長寿命の超音速電流が得られた

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Anonim
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物理学者は、超流動状態の物質でできたリングを実験的に入手しました。このリングは、音速を最大18倍超える速度で1分以上回転します。この構成は、そのようなシステムに巨大な量子渦を実装するのに役立つはずです。著者は、Physical ReviewLettersに書いてください。

多くの物質が絶対零度に近い温度に冷却されると、それらは新しい特性を特徴とする量子状態に移行する可能性があります。特に、このような条件下では、ヘリウムは超流動になります。つまり、粘度がゼロの液体のように動作します。また、多くの物質、主に希薄な原子ガスはボーズ・アインシュタイン凝縮になり、粒子は相関した振る舞いを示し、単一の波動関数で表されます。

超流動の重要な特性は、量子渦、つまり特定の角運動量値でのみ存在できる小さな回転流の出現です。理論家は、十分に速い回転で、これらの摂動が融合して単一の巨大な渦を形成すると予測していますが、それ自体の回転によってサポートされるそのような流れ構成の本格的なデモンストレーションはまだありません。

パリ大学13のエレーヌ・ペランが率いるフランスの物理学者は、実験で初めて超流動物質の比較的安定した回転を取得しました。これは、巨大な渦の形成に先行する構成です。著者らは、速度の臨界値を超えたときにボイドが形成されるまで、システムの中央で濃度が低下することを観察しました。科学者たちは、流れを18.4マッハ数に加速することに成功しました。つまり、音速を18.4倍上回りました。この場合、粒子あたりの比角運動量は350ħの値に達しました。

物理学者は、楕円体ポテンシャルを持つ光トラップに配置された10万個の冷却されたルビジウム原子のボーズ凝縮を使用しました。回転が加速するにつれて、雲は円盤の形をとり、次にリングの形を取りました。速度をさらに上げると、その幅が量子渦を1つでも含むには不十分な状況まで薄くなりました。

この作品の著者は、遠心力により1分以上外部回転した後、回転リングが自立するモードを初めて発見しました。これにより、流れをわずかに乱して、追加の実験を実行することが可能になりました。特に、著者らはリングの集合的な四重極励起を記録することができました。そのため、その形状が円から外れて楕円に変わることがありました。このモードの発振周波数は、既存のモデルと矛盾していることがわかりました。これは、実験的および理論的の両方で、将来の研究の方向性を示しています。

ボーズ-アインシュタイン凝縮と超流動は別々の現象であり、共存する必要はありませんが、一緒に観察することができます。これにより、ボーズ凝縮を使用する実験方法が十分に開発されているため、いくつかの現象の詳細な研究にボーズ凝縮を使用することが可能になります。

特に、このような実験は、磁場中の荷電粒子の量子挙動をシミュレートするために使用できます。数学的な観点から、この状況と中性ガスの回転は、システムのダイナミクスを記述する一般化座標と運動量の関数である同様のハミルトニアンによって記述できるため、これは可能です。このようにして、第二種超伝導体やホール効果などの他の量子現象を研究できると考えられています。

2017年に、物理学者は超流動が固体で観察される新しい物質の状態を発見しました。また、以前は、室温で超流動が観察されていました。さらに、今年、科学者たちはカーボンナノチューブを超流動ヘリウムの層でコーティングしました。

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