硅纳米粒子被超流氦中的涡流所吸引

       Osaka大学工程科学研究生院的科学家们展示了硅纳米颗粒如何被困在超流氦内部形成的涡流中。这项工作为超流氦的其他量子性质的光学研究开辟了新的可能性，例如通过光和硅纳米粒子之间的强相互作用而对量子化涡旋进行光学操纵。

       量子力学的规则对我们来说可能非常陌生，粒子有时像波，反过来也一样。通常，我们认为这种奇怪的量子行为仅限于非常小的尺度。然而，在某些材料中，如氦-4，被冷却到非常低的温度时，波的影响即使在宏观尺度上也很明显。

       这种“过冷”氦是玻色-爱因斯坦凝聚的一个例子，在这种凝聚态中，原子波相互重叠，直到整个流体的特征像一个单一粒子。这一过程没有经典的模拟，并且这是测试量子力学理论的一个非常有用系统，因为氦-4中过渡到超流体的过程发生在相对可达到的温度下。然而，仍然需要可视化超流体的运动。

       现在，由Osaka大学领导的一个研究小组使用硅纳米颗粒来帮助展示超流氦的特征，这类似于投掷卵石来帮助可视化瀑布中的水流。第一作者Yosuke Minowa说:“我们能够提供直接的实验证据，密集的硅纳米颗粒被量化的涡旋吸引，并沿着涡旋核心稳定下来。”

图：观察超流4He中硅纳米颗粒修饰的悬浮量子化涡旋的实验装置示意图。

       超流氦的一个特殊性质是，任何旋转运动只能以量子化漩涡的形式发生。它们是微小的、离散的漩涡，每个漩涡都带有固定数量的角动量。科学家们使用纳米粒子技术来研究涡旋重新连接的过程，在这个过程中，涡旋线合并并交换各自的部分。由于纳米粒子的光散射，漩涡线清晰可见。

       Minowa解释说:“我们提出的技术使我们能够使用许多不同的材料作为量化涡旋的示踪粒子。”研究超流氦中的量子化涡旋可能有助于科学家更好地理解更多的量子系统，例如高温超导体中的临界电流。

[1] Yosuke Minowa, Shota Aoyagi, Sosuke Inui, Tomo Nakagawa, Gamu Asaka, Makoto Tsubota, Masaaki Ashida. Visualization of quantized vortex reconnection enabled by laser ablation. Science Advances, 2022; 8 (18) DOI: 10.1126/sciadv.abn1143