Nature Physics jurnalında dərc olunan yeni araşdırmada tədqiqatçılar həddindən artıq maye helium-4-də Kelvin dalğalarını həyəcanlandırmaq və müşahidə etmək üçün ilk idarə olunan metodu inkişaf etdiriblər.

İlk dəfə 1880-ci ildə Lord Kelvin tərəfindən təsvir edilən Kelvin dalğaları burulğan xətləri boyunca hərəkət edən, kvant sistemlərində enerjinin necə dağılmasında mühüm rol oynayan spiral (spiral formalı) dalğalardır . Ancaq onları eksperimental olaraq öyrənmək çətindir.

Onları müşahidə etmək üçün idarə olunan mühit yaratmaq tədqiqatçıların öhdəsindən gəldiyi ən böyük problem olmuşdur. Phys.org araşdırmanın ilk müəllifi, Kyoto Universitetindən dosent Yosuke Minova ilə danışıb.

Kəşf təsadüf nəticəsində baş verdi. “Biz bütün strukturu tərcümə etmək ümidi ilə kvantlanmış burulğanı bəzəyən nanohissəcikə elektrik sahəsi tətbiq etdik. Bunun əvəzinə burulğan nüvəsinin aydın dalğalı hərəkətini, yəni Kelvin dalğasının həyəcanını müşahidə etdik. Bu gözlənilməz nəticə bizi diqqətimizi öyrənməyə yönəltməyə sövq etdi. dərinlikdə Kelvin dalğalarının həyəcanlanması” dedi Prof. Minowa.

Təcrübənin ürəyi super mayelərin xüsusiyyətlərindədir.

Super mayelər

Superfluidlər müəyyən mayelərin son dərəcə aşağı temperaturda makroskopik miqyasda kvant effektləri göstərməyə başladığı maddənin vəziyyətidir. Bu vəziyyətdə, özlülük yoxdur.

Bu o deməkdir ki, super mayelər heç bir sürtünmə və ya enerji itkisi olmadan axa bilər. Super mayenin ən çox yayılmış nümunəsi 2,17 Kelvindən (-270,98 dərəcə Selsi və ya -455,764 dərəcə Fahrenheit) aşağı soyuduqda bu davranışı nümayiş etdirən helium-4-dür.

Helium bu aşağı temperaturda donmayan yeganə materialdır və həddindən artıq mayenin müşahidə olunmasına imkan verir. Bu vəziyyətdə, maye cazibə qüvvəsinə qarşı yuxarıya doğru axa bilər və divarlara dırmaşaraq konteynerlərdən qaça bilər.

Həddindən artıq mayelik Bose-Einstein kondensasiyası ilə izah olunur, burada atomların böyük bir hissəsi eyni kvant vəziyyətinə daxil olur və tək kvant varlığı kimi davranmağa başlayır. Superfluidlərin özlülükləri olmadığı üçün sistemə verilən hər hansı enerji ənənəvi mayelərdə olduğu kimi istilik kimi yayıla bilməz. Həll yolu Kelvin dalğalarıdır.

https://googleads.g.doubleclick.net/pagead/ads?client=ca-pub-0536483524803400&output=html&h=188&slotname=8188791252&adk=1687169288&adf=4054963813&pi=t.ma~as.8188791252&w=750&abgtt=6&fwrn=4&lmt=1738563955&rafmt=11&format=750×188&url=https%3A%2F%2Fphys.org%2Fnews%2F2025-01-superfluid-spirals-scientists-kelvin.html&wgl=1&uach=WyJXaW5kb3dzIiwiMTkuMC4wIiwieDg2IiwiIiwiMTMyLjAuNjgzNC4xNjAiLG51bGwsMCxudWxsLCI2NCIsW1siTm90IEEoQnJhbmQiLCI4LjAuMC4wIl0sWyJDaHJvbWl1bSIsIjEzMi4wLjY4MzQuMTYwIl0sWyJHb29nbGUgQ2hyb21lIiwiMTMyLjAuNjgzNC4xNjAiXV0sMF0.&dt=1738563955759&bpp=1&bdt=59&idt=79&shv=r20250129&mjsv=m202501280101&ptt=9&saldr=aa&abxe=1&cookie=ID%3Df22668bce9793ae4%3AT%3D1735196613%3ART%3D1738563743%3AS%3DALNI_Mb4Xpwl1SO1AcvqroR6xccDm_sheQ&gpic=UID%3D00000f7c5320f40b%3AT%3D1735196613%3ART%3D1738563743%3AS%3DALNI_Mb1dz_DHiT2yDzXLMaB9CDkQl4XGg&eo_id_str=ID%3Dcdf7f2f01784f52d%3AT%3D1735196613%3ART%3D1738563743%3AS%3DAA-Afjb8kbeupLLyQ0QHQmZxpM4v&prev_fmts=0x0&nras=1&correlator=3789702331922&frm=20&pv=1&rplot=4&u_tz=240&u_his=3&u_h=1080&u_w=1920&u_ah=1032&u_aw=1920&u_cd=24&u_sd=1&dmc=8&adx=447&ady=2185&biw=1903&bih=945&scr_x=0&scr_y=0&eid=42531706%2C95344790%2C31090067%2C95347432&oid=2&pvsid=3969587570371664&tmod=113969004&uas=0&nvt=1&ref=https%3A%2F%2Fphys.org%2F&fc=1920&brdim=0%2C0%2C0%2C0%2C1920%2C0%2C1920%2C1032%2C1920%2C945&vis=1&rsz=%7C%7CpeEbr%7C&abl=CS&pfx=0&fu=128&bc=31&bz=1&td=1&tdf=2&psd=W251bGwsbnVsbCxudWxsLDNd&nt=1&ifi=2&uci=a!2&btvi=1&fsb=1&dtd=83

Kelvin dalğaları

Kelvin dalğalarının meydana gəlməsi üçün tədqiqatçılar burulğan xətti ilə başlayırlar, tornadoya bənzər, həddindən artıq maye heliumun fırlandığı nazik bir xəttdir. Daha sonra sistemdə bir pozğunluq yaranır və ya daxil edilir. Sistem təbiətdə kvant olduğundan, burulğan xəttinin fırlanması kvantlaşdırılır (yalnız müəyyən güclərdə fırlana bilər).

Düz hərəkət etmək əvəzinə, pozğunluq burulğan xəttinin sürüşməsi və burulması ilə bir spiral hərəkət yaradır. Fövqəladə maye hələ də fırlanır, lakin indi spiralləşən burulğan xətti ətrafında. Bu, qoparılan zaman dalğalar yaradan gitara siminə bənzəyən burulğan xəttinin narahatlığa cavab verməsi üçün ən aşağı enerjili yoldur.

“Əvvəlki tədqiqatlarda Kelvin dalğasına bənzər salınımlar yalnız təsadüfən müşahidə olunurdu. Biz super maye heliumda ideal burulğanı manipulyasiya etmək üçün yeni bir üsul inkişaf etdirdik və bu kvantlaşdırılmış burulğanların davranışını öyrənmək üçün yeni üsul təqdim etdik”, – professor Minova deyib.

Vizuallaşdırma üçün nanohissəciklər

Tədqiqatçıların yanaşması 1,4 Kelvində həddindən artıq maye helium-4-də silikon nanohissəciklərin yaradılmasından ibarət idi. Bunun üçün heliumun içinə lazerin birbaşa dəydiyi silikon vafli yerləşdirdilər.

Bu, nəinki silisium nanohissəciklərini yaratdı, həm də mayedə yerli, kəskin axınlar yaratdı ki, bu da super mayedəki qalıq burulğanları gücləndirdi və nanohissəciklərin bir hissəsinin bu burulğanların nüvəsində tutulmasına səbəb oldu.

İndi burulğan filamentləri göründüyü üçün tədqiqatçılar sistemə zamanla dəyişən elektrik sahəsi tətbiq etdilər. Bu, burulğan boyunca spiral dalğa kimi yayılan nanohissəciklərin məcburi salınımlarını yaratdı.

Tədqiqatçılar dalğa davranışını təhlil etmək üçün müxtəlif həyəcan tezliklərini (0,8-3,0 Hertz) sınaqdan keçirdilər. Spline əyri uyğunlaşdırma üsullarından istifadə edərək üç ölçülü dalğa hərəkətini yenidən qurmaq üçün ikili kamera qurğusu istifadə edilmişdir.

“Kvantlaşdırılmış burulğanları bəzəmək üçün nanohissəciklərdən istifadə etməklə, tədqiqatımız kvant mayesinin davranışını manipulyasiya etmək və müşahidə etmək üçün çox yönlü bir alət təqdim edir. Bu yanaşma, digər kvant maye sistemlərində oxşar texnikaları ilhamlandıraraq, eksperimental tədqiqatlar üçün alətlər qutusunu genişləndirə bilər”, – professor Minova qeyd edib.

Gündəlik anlayışlar üçün Phys.org-a etibar edən 100.000-dən çox abunəçi ilə elm, texnologiya və kosmosda ən son yenilikləri kəşf edin . Pulsuz xəbər bülleteni üçün qeydiyyatdan keçin və mühüm nailiyyətlər, innovasiyalar və tədqiqatlar haqqında gündəlik və ya həftəlik yeniliklər əldə edin .Abunə ol

Kelvin dalğalarının uğurlu həyəcanlanması

Tədqiqatçılar həddindən artıq maye helium-4-də Kelvin dalğalarının idarə olunan həyəcanını uğurla nümayiş etdirdilər. Onların dalğaların 3D rekonstruksiyası dalğaların spiral xarakterini təsdiqləməyə kömək etdi.

Professor Minovanın sözlərinə görə, ən böyük çətinliklərdən biri müşahidə olunan fenomenin həqiqətən Kelvin dalğası olduğunu sübut etmək idi.

Professor Minova dedi: “Bunu həll etmək üçün biz dispersiya əlaqəsi, faza sürəti və üçölçülü dinamika kimi əsas məlumatları topladıq. Üçölçülü təsvirin yenidən qurulması Kelvin dalğalarının spiral xarakterini təsdiqləməkdə mühüm rol oynadı. Burulğanın üçölçülü dinamikasını vizuallaşdıraraq, müşahidə edilən salınımların həqiqətən Kelvin dalğaları olduğuna dair birbaşa və konkret sübutlar əldə etdik”.

Şəkillər həmçinin Kelvin dalğalarının əli (və ya fırlanma istiqamətini) təsdiqləməyə kömək etdi ki, bu da əvvəllər heç vaxt eksperimental olaraq edilməmişdir. Həyəcanlı dalğalar sol əlli spiral quruluşa malik idi.

Tədqiqatçılar öz eksperimental müşahidələrini təsdiqləmək üçün Kelvin dalğasının həyəcanını simulyasiya etmək üçün burulğan filament modelini işləyib hazırladılar.

Simulyasiyalar təsdiqlədi ki, yüklənmiş nanohissəciyin zorlanması hər iki istiqamətdə spiral dalğaların yaranmasına gətirib çıxarıb və eksperimental nəticələrə uyğun gəlir.

Tədqiqatçılar super mayelərdə və digər oxşar kvant sistemlərində enerji ötürülməsi və yayılması proseslərində əsas rol oynayan Kelvin dalğalarını həyəcanlandırmaq və öyrənmək üçün yeni və idarə olunan üsul təqdim ediblər.

Professor Minova belə yekunlaşdırdı: “Biz çoxlu eksperimental tədqiqatlara yol açan, həddindən artıq maye heliumda Kelvin dalğalarını öyrənmək üçün yeni alət təqdim etdik . Gələcək tədqiqatlar Kelvin dalğalarının qeyri-xətti və çürümə proseslərini, həmçinin mexaniki xassələri və xarakteristikalarını tədqiq edə bilər. kvantlanmış burulğanlar.”

Daha çox məlumat: Yosuke Minowa et al, Kelvin dalğalarının kvantlaşdırılmış burulğanlarda birbaşa həyəcanlanması, Təbiət Fizikası (2025). DOI: 10.1038/s41567-024-02720-9 . arXiv- də : DOI: 10.48550/arxiv.2402.16411

Jurnal məlumatı: Nature Physics , arXiv  

© 2025 Science X Network