Нанокраплі надплинного гелію при зіткненні з металевою поверхнею втратили свої надплинні властивості і розбризкалися подібно воді. Причому внаслідок цього їм вдалося захистити підмішані в них іони, які інакше нейтралізували б свій заряд через зіткнення з поверхнею. Відкритий ефект має спростити фізикам експерименти з мас-спектроскопією іонів. Як тепер пропонують працювати із «міченими» гелієм іонами, вчені повідомили у Physical Review Letters.
Еволюція форми нанокраплі гелію при обертанні. B. Langbehn at al. / Physical Review Letters, 2018
Що робити з гелієвими нанокраплями?
Нижче критичної температури (2,17 кельвіна для гелію-4) ми вже не можемо говорити про гелій як про класичну рідину, де окремі атоми хаотично рухаються з різними енергіями. Він набуває квантових властивостей, безперешкодно витікає крізь найменші тріщини та навіть здатний підійматися стінками посудини і переливатися через край. За наднизьких температур у нього просто зникає тертя.
Дещо більше про фізику цього явища ми розповідали у матеріалі «Суперфізика та надмеханізми». У цій же роботі фізики з Австрії, Швеції, Америки та Бразилії використовували незвичайні властивості гелію для роботи з іонами.
Попри те що гелій є вельми специфічним матеріалом, його надплинні властивості дають можливість досліджувати, як атоми та молекули поводяться за низьких температур у хімічно інертному середовищі. Наприклад, нанокраплі з нього активно використовуються як основа для експериментів з молекулами і атомами за температур, нижчих одного кельвіна (тобто нижче за -272,15 градуса Цельсію), де ті зможуть утворювати кластери через зіткнення. Також гелієві нанокраплі легко піддаються іонізації, тому фізики можуть використовувати методи від електронної іонізації до фотоіонізації лазерами на вільних електронах.
Як розбризкується гелій?
Вже відомо, що кластери частинок всередині нанокрапель гелію здатні витримувати їхнє зіткнення із поверхнями та уникати руйнування. Коли заряджені частинки стикаються з металевою пластиною, вони нейтралізуються вільними електронами з поверхні металу і стають «невидимими» для мас-спектрометра. Дослідники вважають, що розбризкування крапель запобігає безпосередній взаємодії іонів легуючої домішки з металевою поверхнею. Тобто оточені гелієм іони можуть уникати цього і розлітатися поверхнею далі з декількома слабкозв'язаними атомами гелію.
Щоб дослідити, чи дійсно легуючий матеріал усередині нанокрапель гелію здатний уникнути руйнування, залишаючись пов'язаним з ними, вчені досліджували розсіювання фулерену С60 від металевої поверхні з числом Вебера, рівним 1670 — на думку науковців, саме таке його значення може забезпечити нанокраплям гелію розбризкування та розпад на вторинні краплі, які віднесуть з собою домішки.
Схема експерименту, де на шляху пучка нанокрапель гелію розміщений перший екран (G1), а на відстані у півтора міліметри перпендикулярно другий (G2). Поруч - отримані ТЕМ зображення. Paul Martini at al. / Physical Review Letters, 2021
Для дослідження вчені підготували експериментальну установку, де на шляху пучка нейтральних легованих крапель помістили екрани трансмісійного електронного мікроскопа: один навпроти, а другий — перпендикулярно. І наночастинки допантів були не лише на першому, а і на другому, що свідчить про те, що при зіткненні крапель з поверхнею деяким вдалося відлетіти під кутом 90 градусів. На це може бути два пояснення: або іони, що спостерігаються, виникають в результаті фрагментації самих крапель, або краплі, що падають, видаляють і іонізують матеріал з поверхні, осаджений попередніми краплями. Останнє спостерігалося з аргоном: перенесений краплями він залишався на поверхні, а потім потрапляв у другу «партію».
Тому, щоб унеможливити другий варіант, вчені повторили експерименти з нелегованими іонізованими краплями, що стикаються з попередньо покритою різними типами речовин поверхнею. Тоді екранам мікроскопа вдалося зловити лише кластерні іони чистого гелію, а отже річ була саме у розбризкуванні крапель. Цей ефект вчені пояснюють так: швидкість польоту нанокрапель складала від 120 до 250 метрів за секунду, що більше критичної швидкості Ландау і, відповідно, верхньої межі надплинності. Тож гелій цілком міг почати поводитися як звичайна рідина під час зіткнення з поверхнею. Тому у майбутніх експериментах вчені планують розібратися з іншими параметрами кінематики розбризкування, як-то склад поверхні чи кут падіння, щоб цей ефект можна було ефективно використовувати для досліджень.
Також раніше ми розповідали, як фізики перевиміряли зарядовий радіус одного з ізотопів гелію і отримали вп'ятеро точніший за попередні експерименти результат. А один зі способів охолодження протонів — змішувального — вдалося провести без змішування, а тому частинкам не доведеться більше контактувати з іонами.