Un diagramme de phase simplifié du 3He superfluide sous divers degrés de confinement. Crédit :Shook et al.
Les physiciens ont étudié le superfluide 3 Lui sous confinement nanométrique depuis plusieurs années maintenant, car ce liquide unique présente une riche variété de phases avec des paramètres d'ordre complexes qui peuvent être stabilisés. Alors que des études antérieures ont recueilli de nombreuses observations intéressantes, une image complète et fiable du superfluide 3 Il en confinement n'a pas encore été atteint.
Des chercheurs de l'Université de l'Alberta ont récemment fait un grand pas en avant dans cette direction, en introduisant de nouveaux diagrammes de phases de superfluide 3 Il est soumis à divers degrés de confinement uniaxial. Leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , pourrait éclairer la stabilité progressive de la phase A du liquide exotique, tout en découvrant également une région croissante d'état d'onde de densité de paires stable.
"L'idée de ce projet a germé au milieu des années 2000, alors que j'étais étudiant au doctorat à l'Université Northwestern, " John Davis, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Je travaillais avec le Pr William Halperin, faire des études expérimentales de superfluide 3 Il, tandis que dans le groupe du professeur Jim Sauls, un doctorant nommé Anton Vorontsov, maintenant professeur à la Montana State University, explorait des idées autour du superfluide 3 Il est en confinement."
Les idées développées par Vorontsov il y a plus d'une décennie ont abouti à deux articles théoriques intéressants, publié en 2005 et 2007. Le premier article a prédit la formation d'un « mur de domaine » entre deux types de superfluide. En physique, les murs de domaine sont connus, entre autres, pour séparer les domaines microscopiques dans les matériaux ferromagnétiques et l'alignement des domaines magnétiques conduit finalement au ferromagnétisme macroscopique. Cependant, l'idée de parois de domaine séparant deux régions d'un fluide est beaucoup moins intuitive et est donc quelque peu alléchante.
"L'article de Vorontsov de 2007 a poussé cette idée encore plus loin et a prédit que dans une certaine gamme de pressions, températures, et enfermement, ces parois de domaine pourraient s'arranger et former un "cristal superfluide, "", a déclaré Davis. "Cette idée d'un matériau ayant à la fois la structure spatiale régulière d'un cristal et les propriétés de superfluide d'un superfluide m'a intrigué depuis. "
L'idée introduite par Vorontsov rappelle en partie les supersolides, un sujet qui a suscité beaucoup d'intérêt dans le domaine de la physique il y a quelques années. Cependant, le nouvel état qu'il a décrit ne commence pas comme un état solide, mais plutôt comme un fluide. Elle est donc bien plus proche de ce que l'on observe dans les cristaux liquides, qui peut avoir un ordre spatial similaire à celui des solides tout en restant liquide. De la même manière que ceux-ci sont appelés «cristaux liquides», donc, La prédiction de Vorontsov pourrait être appelée celle d'un «cristal superfluide».
Dans leur récent article, Davis et ses collègues ont décidé d'utiliser le terme plus générique « onde de densité de paires », afin de minimiser la controverse. Quel que soit le terme utilisé, leur objectif était de rechercher l'état superfluide ordonné cristallin introduit par Vorontsov.
"Depuis la publication de cet article de 2007, J'ai lentement progressé vers la réalisation de cette expérience." Davis a déclaré. "Depuis 2010, mon groupe de recherche indépendant a construit l'infrastructure pour refroidir le liquide 3 Il aux températures inférieures au millikelvin requises, construire les thermomètres nécessaires pour mesurer ces températures et inventer des techniques expérimentales pour mesurer les propriétés des superfluides sous confinement."
Afin d'identifier de nouvelles méthodes expérimentales pour mesurer les propriétés des superfluides sous confinement, les chercheurs ont commencé à utiliser des techniques modernes de nanofabrication. Ces techniques leur ont permis de confiner 3 Lui à l'échelle nanométrique, c'est ce qui différencie finalement leurs expériences d'autres réalisées dans le passé.
"En fait, nous sommes tombés sur la technique que nous avons utilisée dans notre étude, celui de la résonance mécanique, par accident, " expliqua Davis. " Nous utilisons ce qu'on appelle une résonance de Helmholtz, ce qui signifie qu'il s'agit d'une résonance mécanique d'un fluide. Ceci est similaire au sifflement que vous obtenez lorsque vous soufflez sur le dessus d'une bouteille de bière. Ce sifflet est un système masse-ressort, la masse étant le fluide dans le goulot de la bouteille et le ressort étant la compressibilité de la bière dans la bouteille."
Semblable à ce qui se passe lorsqu'on souffle sur le dessus d'une bouteille de bière, la technique utilisée par Davis et ses collègues aboutit à un système masse-ressort entièrement composé de superfluide. La fréquence du sifflement résultant peut alors servir de mesure des propriétés de l'état superfluide.
Image montrant trois appareils dans le couvercle de la cellule d'échantillon avant de la fermer. Crédit :Shook et al.
Les chercheurs ont dévoilé cette résonance mécanique par accident dans l'une de leurs expériences précédentes. Une fois qu'ils ont compris ce que c'était, ils ont réalisé que cela pourrait les aider à poursuivre leurs objectifs de recherche.
« Nous avons passé de nombreuses années à peaufiner cette technique, jusqu'en janvier 2019, deux de mes membres de laboratoire, Le doctorant Alex Shook et le stagiaire postdoctoral Vaisakh Vadakkumbatt, partit à la recherche de cet état cristallin superfluide dans le liquide 3 Il, " Davis a déclaré. "Dès que les données ont commencé à affluer, Je savais que nous étions sur quelque chose de grand. Mais pour être vraiment confiant, ces gars ont passé des mois et des mois à affiner l'acquisition des données et à s'assurer que notre thermométrie était précise. »
En essayant de calculer les phases attendues sur la base de leurs observations, les chercheurs ne pouvaient pas se fier aux études précédentes, car leur technique expérimentale leur a permis d'explorer une gamme de pressions et de confinements plus large que celles rapportées dans les travaux précédents, les théories soutenant leurs observations n'existaient donc pas encore. Ils ont donc décidé de partager leurs observations avec une autre équipe de recherche dirigée par le Pr Joseph Maciejko, qui les a aidés à effectuer les calculs nécessaires.
"L'étudiant du professeur Maciejko Pramodh Senarath Yapa a effectué des calculs des transitions de phase attendues dans les mêmes conditions que nos expériences, mais nous l'avons fait d'une sorte de "double aveugle", " expliqua Davis. " Nous avons donné à Pramodh les confinements correspondant à nos expériences et les plages de pression et de température que nous explorions, mais n'a pas révélé nos températures de transition précises. Au lieu, Pramodh a fait les calculs et Alex Shook a fait l'analyse expérimentale et la construction des diagrammes de phases et un jour, dans une grande révélation, nous les avons rassemblés. »
L'accord entre les résultats des calculs effectués par Pramodh et les diagrammes de phases imaginés par Shook était remarquable, avec zéro paramètres réglables. Les chercheurs ont ainsi pu obtenir de nouvelles informations importantes sur la stabilité progressive de la UNE phase en superfluide 3 Il, tout en mettant également en évidence une région croissante de l'état d'onde de densité de paires stable.
Bien qu'il s'agisse d'une physique profondément fondamentale, explorer ce que signifie avoir un état qui a un ordre spatial, comme un cristal, mais c'est aussi un superfluide, pourrait avoir des implications importantes pour d'autres systèmes de matière condensée. Par exemple, un état d'onde de densité de paires similaire est actuellement à l'étude dans des supraconducteurs à haute température, les travaux des chercheurs pourraient donc également influencer les travaux dans ce domaine.
"Pour moi, la partie la plus significative de cette expérience a été de renforcer la prochaine génération de chercheurs, tel Alex, Vaisakh et Pramodh, ce superflu 3 C'est un système extrêmement intéressant, " Davis a déclaré. "C'est un système si riche et propre, avec beaucoup à explorer. Je ne peux qu'espérer que certains des lecteurs de notre article auront également ce sentiment et peut-être que certains d'entre eux trouveront leur chemin vers l'étude des superfluides. 3 Il."
Un autre aspect intéressant de l'étude menée par Davis et ses collègues est qu'elle explore comment tourner un « bouton » expérimental, comme le confinement, peut réellement créer de nouveaux états. Les « boutons » tournés en physique expérimentale incluent généralement des éléments tels que la pression, température ou champ magnétique.
Davis et son équipe, d'autre part, ont pu contrôler la physique des superfluides 3 Il utilise le confinement à l'échelle nanométrique, ce qui est une pratique nouvelle dans ce domaine de recherche. Il peut exister d'autres systèmes dans lesquels le confinement joue un rôle important et ceux-ci pourraient également être examinés à l'aide de techniques similaires.
"Ce n'est vraiment que le début de ce projet de recherche, " Davis a ajouté. " Dans nos prochaines études, nous voulons vraiment utiliser notre technique pour étudier ces murs de domaine en détail. J'aimerais les caractériser et comprendre exactement leur forme."
Dans leurs futurs travaux, les chercheurs prévoient d'explorer s'il peut y avoir une nouvelle physique dans les murs du domaine. Ils aimeraient également « prendre les empreintes digitales » des différents états dans leurs diagrammes de phases, afin de démontrer qu'ils sont capables de comprendre les propriétés des phases qu'ils ont décrites en détail.
"De mon côté superfluide 3 Il m'intéressait aussi comme exemple de phase topologique de la matière (mon domaine de recherche principal), qui est censé héberger des excitations exotiques connues sous le nom de fermions de Majorana, " Joseph Maciejko, un autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. « En ce qui concerne les recherches futures, l'interaction de l'ordre cristallin superfluide et de la physique de Majorana est quelque chose qui m'intéresse beaucoup, et cela devrait être accessible expérimentalement dans ce système."
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