La première preuve expérimentale claire d’un état superfluide dans les films 2D-4He


La première preuve expérimentale claire d'un état superfluide dans les films 2D-4He

Le montage expérimental des chercheurs. Source : Choi et al.

Au cours des dernières décennies, certains physiciens du monde entier ont essayé la deuxième couche de 4eIl filme des films adsorbés sur un substrat de graphite afin d’étudier l’interaction entre les phases et supersolide de la matière. Plusieurs équipes ont collecté des mesures d’oscillateurs de torsion (TO) sur cette couche, notamment PA Crowell, FW Van Keuls et JD Reppy de l’Université Cornell, et le Dr. Jan Nyeki et ses collègues de Royal Holloway.

Des chercheurs du Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) ont récemment amélioré ces mesures en collectant la première expérimentale claire d’un superfluide en 2D 4eIl filme sur un substrat de graphite. Vos résultats, publiés dans Lettres d’examen , suggèrent que la deuxième couche de 4eSes films pourraient être un candidat prometteur pour l’inclusion de phases superfluides et super-solides.

« La nôtre est la première expérience réussie à fournir des preuves claires de la phase superfluide dans la deuxième couche en utilisant un TO rigide à deux fréquences, une version radicalement améliorée du TO conventionnel », a déclaré Eunseong Kim, l’un des chercheurs qui a dirigé l’étude, a déclaré Phys .org.

Dans les études précédentes, la TO a été raccourcie dans 4eSes films ont été interprétés comme la signature de la superfluidité. Cependant, des études antérieures ont montré que les mesures de TO sont également sensibles à d’autres effets non superfluides, tels que : B. Modifications des propriétés viscoélastiques. Cela signifie que les effets TO peuvent facilement être amplifiés ou surestimés si une expérience n’est pas soigneusement conçue.

« Il y a eu aussi une expérience TO récente dans laquelle la propriété viscoélastique change de. ont été examinés 4eIl filme adsorbé sur un substrat désordonné », a expliqué Kim. « Avec plusieurs TO différents, l’anomalie élastique a conduit à un raccourcissement de la période dépendant de la température avec un comportement d’apparition lente, très similaire à ce qui s’est passé dans la deuxième couche de. a été observé 4eLui sur graphite. Il n’est donc pas exclu que les TO utilisés dans les études précédentes soient sensibles à cet effet viscoélastique indésirable. Dans ce contexte, notre nouvelle mesure est indispensable pour répondre à la question « Existe-t-il du superfluide dans la deuxième couche ? pour répondre de manière concluante. et de faire avancer ce domaine de recherche. »

« Deux ‘recettes’ ont été proposées pour rechercher une superfluidité réelle : (i) un TO avec une conception rigide qui peut filtrer la contribution viscoélastique indésirable et (ii) un TO avec plusieurs fréquences de résonance pour déterminer la dépendance en fréquence du signal détecté. test », a expliqué Kim. « Les expériences TO, qui répondent aux deux critères mentionnés ci-dessus, ont joué un rôle crucial dans l’équilibrage des observations contradictoires et ont conduit à la conclusion que la propriété viscoélastique des solides 4eIl génère le signal imitant le superfluide. »

Dans leur étude, Kim et ses collègues ont collecté une mesure TO rigide à deux fréquences montrant l’existence de la phase superfluide dans la deuxième couche de. confirmé hors de tout doute 4eIl filme sur un substrat de graphite. Selon les chercheurs, il s’agit de la première mesure d’OT vraiment « réussie » sur la deuxième couche, car c’est la seule à ce jour qui remplit les deux critères de détection fiable de la superfluidité.

« Les deux travaux révolutionnaires de Crowell & Reppy et Nyeki & Saunders ont ouvert une nouvelle direction de recherche et fourni de nouvelles perspectives », a déclaré Kim. « Cependant, leurs TO n’ont pas été conçus pour séparer le signal superfluide des autres effets. Ce qu’ils ont souvent observé, c’est un écart entre les données de la période TO vide et la période TO ajustée verticalement avec des données non superfluides 4eIl est en train de filmer (ce qu’ils ont appelé un fond « composite »). « 

Basé sur des études antérieures portant sur les solides en vrac 4eL’absence d’un fond « composite » ou incliné est une caractéristique clé des mesures TO rigides. De ce fait, les bruits de fond « composites » observés dans les études précédentes pourraient être le résultat d’un couplage viscoélastique entre les échantillons analysés et les méthodes TO utilisées pour les étudier.

Kim et ses collègues ont mesuré la dépendance à la température du TO, qui contenait un film d’hélium avec deux périodes de résonance différentes (c’est-à-dire des fréquences). La dépendance à la température aboutirait finalement à un changement monotone avec une température décroissante si aucun superfluide n’est présent.

« Lorsque l’hélium superfluide apparaît, il se découple de la vibration et réduit en conséquence la période de résonance (ou augmente la fréquence de résonance – vibre plus rapidement en raison de la masse réduite dans le TO). Il est clair que la réaction du superfluide est indépendante de la fréquence d’entraînement, puisque le superfluide est complètement découplé de la vibration « , a déclaré Kim TO dépend de la fréquence d’entraînement. « 

Le décalage de fréquence observé par Kim et ses collègues s’est avéré indépendant de la fréquence de mesure, suggérant que l’anomalie qu’ils ont découverte est vraiment liée à la superfluidité. Les résultats représentent ainsi une avancée significative dans l’exploration des 4eIl s’adsorbe sur des substrats ordonnés ainsi que sur des liquides et solides quantiques en général.

« Une autre contribution unique de notre travail est que nous ajoutons une nouvelle compréhension de la relation entre l’ordre superfluide et structurel », a déclaré Kim. « Pour ce faire, il est essentiel de créer un diagramme de phase avec une détermination exacte de la couverture du film. Dans notre travail, nous avons effectué des mesures de TO et de pression de vapeur simultanément avec un manomètre in-situ pour mesurer avec précision la couverture et avons d’abord suggéré une région où le superfluide et l’ordre fixe coexistent. »

Fait intéressant, la région où coexistent l’ordre superfluide et fixe décrit par Kim et ses collègues est en accord avec la dernière étude diffusive de Monte Carlo. Sur la base de ces résultats, les chercheurs ont conclu que dans la deuxième couche de. deux phases quantiques exotiques apparaissent 4eIl filme.

Lors de leurs précédentes expériences, d’autres équipes avaient mesuré la pression de vapeur dans leur échantillon à l’extérieur du réfrigérateur puis défini leur échelle de couverture en fixant la promotion de la deuxième couche à 11,4 atomes/nm. ont mis en2. Il est donc difficile de déterminer le degré absolu de couverture de votre système. Kim et ses collègues, en revanche, ont pu identifier clairement la couverture dans laquelle coexistent à la fois les ordres superfluide et solide, ce qui est une condition préalable nécessaire à la détection fiable de la phase super-solide.

Grâce à l’amélioration radicale des techniques TO existantes, cette étude a rassemblé des preuves claires de la phase superfluide qui n’a jamais été atteinte avec succès auparavant. De plus, il a confirmé expérimentalement des prédictions théoriques antérieures qui suggéraient que l’ordre superfluide et l’ordre fixe coexistent dans une zone de couverture donnée.

« Notre travail ouvre une nouvelle ère en combinant différentes études expérimentales et théoriques », a déclaré Kim. « Bien que la deuxième couche ait été largement étudiée, la forme de son diagramme de phase n’a pas pu être rapportée pour conduire à une seule conclusion. La région de couverture proposée par Nyeki & Saunders pour le candidat supersolide ne correspondait pas à la région où l’ordre superfluide et fixe coexistent dans les calculs numériques. Cependant, notre étude suggère la possibilité de concilier l’ensemble de ces résultats de manière intégrée. »

La coexistence des phases superfluide et solide, une condition nécessaire à la super solidité, est devenue un sujet de recherche populaire dans de nombreux domaines, de la matière condensée à la physique des AMO. À l’avenir, par conséquent, les deux phases quantiques exotiques et entrelacées que Kim et ses collègues ont observées sont susceptibles d’influencer à la fois la recherche expérimentale et théorique dans différents domaines de la physique.

« La prochaine question évidente est de savoir si le film d’hélium a un ordre structurel dans la densité de surface dans laquelle le superfluide se produit », a ajouté Kim. « Ceci est essentiel car il s’agit d’une preuve directe de l’état super solide : la coexistence de la superfluidité et de l’ordre cristallin. Nous développons actuellement un nouvel oscillateur mécanique qui peut étudier l’ordre structurel à ce stade. »


La technologie caractérise les phases de superfluides qui se transforment en supersolides et inversement


Plus d’information:
Etat superfluide modulé spatialement dans le bidimensionnel 4eIl filme. Lettres d’examen physique(2021). DOI : 10.1103 / PhysRevLett.127.135301

Limite supérieure de la super solidité en sodium-hélium. Vérification physique B(2014). DOI : 10.1103 / PhysRevB.90.064503

Comportement anormal des solides 4eLui en verre Vycor poreux. Lettres d’examen physique(2012). DOI : 10.1103 / PhysRevLett.108.225305

Anomalie élastique des films d’hélium lors d’une transition de phase quantique. Vérification physique B(2018). DOI : 10.1103 / PhysRevB.98.235104

Superfluides et phases super solides de 4eIl sur la deuxième couche de graphite. Lettres d’examen physique(2020). DOI : 10.1103 / PhysRevLett.124.205301

Jonction d’isolant superfluide dans 4eIl filme adsorbé dans du verre Vycor. Lettres d’examen physique(1995). DOI : 10.1103 / PhysRevLett.75.1106

À propos de la réaction « super solide » de la deuxième couche de 4eLui sur graphite. Journal de physique des basses températures(2017). DOI : 10.1007 / s10909-017-1779-x

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Citation: La première preuve expérimentale sans ambiguïté d’un état superfluide dans les films 2D-4He (2021, 14 octobre), consulté le 15 octobre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-10-unequivocal-experimental-evidence- superfluid -état.html

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