I en ny studie som publiceras i Nature Physics har forskare utvecklat den första kontrollerade metoden för att excitera och observera Kelvinvågor i supraflytande helium-4.
Kelvinvågorna, som först beskrevs av Lord Kelvin 1880, är spiralformade vågor som rör sig längs virvellinjerna och spelar en viktig roll för hur energi försvinner i kvantsystem. De är dock svåra att studera experimentellt.
Att skapa en kontrollerad miljö för att observera dem har varit den största utmaningen som forskarna har övervunnit. Phys.org talade med studiens försteförfattare, Associate Prof. Yosuke Minowa från Kyoto University.
Upptäckten kom till genom en lycklig slump. ”Vi applicerade ett elektriskt fält på en nanopartikel som dekorerats med en kvantiserad virvel, i hopp om att översätta hela strukturen. Istället observerade vi en tydlig vågrörelse i vortexkärnan, nämligen excitation av Kelvinvågor. Detta oväntade resultat fick oss att skifta fokus till att studera exciteringen av Kelvinvågor på djupet”, säger professor Minowa.
Experimentets hjärta ligger i egenskaperna hos superfluider.
Superfluider
Superfluider är ett materiellt tillstånd där vissa vätskor börjar uppvisa kvanteffekter i makroskopisk skala vid extremt låga temperaturer. I det här fallet ingen viskositet.
Det innebär att superfluider kan flöda utan friktion eller energiförlust. Det vanligaste exemplet på en superfluida är helium-4, som uppvisar detta beteende när det kyls under 2,17 Kelvin (-270,98 grader Celsius eller -455,764 grader Fahrenheit).
Helium är det enda material som inte fryser vid dessa låga temperaturer, vilket gör det möjligt att observera superfluiditet. I detta tillstånd kan vätskan strömma uppåt mot gravitationen och ta sig ur behållare genom att klättra uppför väggar.
Suprafluiditet förklaras av Bose-Einstein-kondensation, där en stor del av atomerna hamnar i samma kvanttillstånd och börjar bete sig som en enda kvantenhet. Eftersom superfluider inte har någon viskositet kan energi som tillförs systemet inte avledas som värme som i traditionella vätskor. Lösningen är Kelvinvågor.
Kelvin-vågor
För att bilda Kelvinvågor utgår forskarna från en virvellinje, en tunn linje runt vilken det superflytande heliumet roterar, ungefär som en tornado. Sedan skapas eller införs en störning i systemet. Eftersom systemet är kvantmekaniskt till sin natur kvantiseras vortexlinjens rotation (den kan bara rotera med en viss styrka).
I stället för att röra sig rakt skapar störningen en spiralformad rörelse där virvellinjen vickar och vrider sig. Supervätskan roterar fortfarande, men runt den nu spiraliserande virvellinjen. Detta är det mest energisnåla sättet för vortexlinjen att reagera på störningen, ungefär som en gitarrsträng som skapar vågor när man plockar på den.
”I tidigare studier observerades Kelvin-vågliknande svängningar endast av misstag. Vi har utvecklat en ny metod för att manipulera en idealisk virvel i supraflytande helium, vilket ger ett nytt sätt att studera beteendet hos dessa kvantiserade virvlar”, säger professor Minowa.
Nanopartiklar för visualisering
Forskarnas metod gick ut på att skapa nanopartiklar av kisel i supraflytande helium-4 vid 1,4 Kelvin. För att göra detta placerade de en kiselskiva i heliumet och lät lasern träffa den direkt.
Detta skapade inte bara kiselnanopartiklarna, utan även lokala, drastiska flöden i vätskan som förstärkte de kvarvarande virvlarna i supervätskan, vilket ledde till att några av nanopartiklarna fastnade i kärnan av dessa virvlar.
Nu när virvelfilamenten kunde ses applicerade forskarna ett tidsvarierande elektriskt fält på systemet. Detta skapade forcerade svängningar hos nanopartiklarna, som fortplantade sig som en spiralformad våg längs virveln.
Forskarna testade olika excitationsfrekvenser (0,8 till 3,0 Hertz) för att analysera vågbeteendet. En dubbelkamerainställning användes för att rekonstruera vågrörelsen i tre dimensioner med hjälp av spline-kurvanpassningstekniker.
”Genom att använda nanopartiklar för att dekorera kvantiserade virvlar introducerar vår studie ett mångsidigt verktyg för att manipulera och observera kvantvätskors beteende. Detta tillvägagångssätt kan inspirera till liknande tekniker i andra kvantvätskesystem, vilket utökar verktygslådan för experimentella studier”, säger professor Minowa.
Framgångsrik excitering av Kelvin-vågor
Forskarna har framgångsrikt demonstrerat kontrollerad excitering av Kelvinvågor i supraflytande helium-4. Deras 3D-rekonstruktion av vågorna bidrog till att bekräfta vågornas spiralformade karaktär.
Enligt professor Minowa var en av de största utmaningarna att bevisa att det observerade fenomenet verkligen var en Kelvin-våg.
Prof. Minowa säger: ”För att lösa detta samlade vi in nyckelinformation som dispersionsförhållandet, fashastigheten och den tredimensionella dynamiken. Den tredimensionella bildrekonstruktionen spelade en avgörande roll för att bekräfta Kelvinvågens spiralformade natur. Genom att visualisera virvelns tredimensionella dynamik fick vi direkta och konkreta bevis för att de observerade svängningarna verkligen var Kelvinvågor.”
Bilderna hjälpte också till att bekräfta Kelvinvågornas handled (eller rotationsriktning), något som aldrig tidigare gjorts experimentellt. De exciterade vågorna hade en vänsterhänt spiralformad struktur.
För att validera sina experimentella observationer utvecklade forskarna en virvelfilamentmodell för att simulera excitering av Kelvinvågor.
Simuleringarna bekräftade att forcering av en laddad nanopartikel ledde till generering av spiralformade vågor i båda riktningarna, vilket matchar experimentella resultat.
Forskarna har tagit fram en ny och kontrollerad metod för att excitera och studera kelvinvågor, som spelar en nyckelroll i energiöverförings- och dissipationsprocesserna i superfluider och andra liknande kvantsystem.
Prof. Minowa avslutar: ”Vi har introducerat ett nytt verktyg för att studera Kelvinvågor i supraflytande helium, vilket banar väg för många experimentella undersökningar. Framtida forskning kan utforska icke-linjäritet och sönderfallsprocesser för Kelvinvågor, liksom de mekaniska egenskaperna och karakteriseringen av kvantiserade virvlar.”
För mer information: Yosuke Minowa et al, Direct excitation of Kelvin waves on quantized vortices, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-024-02720-9. På arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2402.16411
