物理学家研制出一种新型光离心机，首次实现了在超流体内部精确旋转分子。这一进展有助于解开量子液体的一些最大谜团，并揭示超流性在原子尺度上是如何破坏的。
这项成果代表了在超流体内部实现受控分子旋转的首次成功演示。研究人员现在可以直接调节分子旋转的方向和速度，从而使得研究分子在不同旋转频率下如何与其量子环境相互作用成为可能。这项工作由不列颠哥伦比亚大学（UBC）的研究人员领导，并与弗莱堡大学合作完成，发表在《物理评论快报》上。
“控制溶解在任何流体中的分子的旋转都是一个挑战，”UBC物理与天文系副教授、该论文作者瓦列里·米尔纳（Valery Milner）博士说道。
“溶解的分子与流体的原子或分子组分发生相互作用，实际上变得更大，也更难旋转起来。想象一下滚雪球：当它很小的时候很容易移动，但随着更多的雪附着在上面，就会变得越来越难。”
理解超流体
超流体，例如冷却到接近绝对零度的液氦，是一种无粘性流动的奇特物质状态。尽管它们没有内摩擦力，但它们仍然可以作为溶剂，允许分子溶解在其中。
“量子物质科学中感兴趣的问题，也是这种新方法将帮助我们探索的问题，是当你从普通流体转变为这种量子超流体时，从被溶剂化——即溶解——的分子的角度来看，发生了什么变化，”米尔纳博士补充道。
一种新型光离心机技术
传统的光离心机通过将气体分子暴露于旋转激光脉冲中来使其旋转。随着激光电场的旋转，气体分子与其对齐并开始旋转。然而，直到现在，同样的方法在浸没于超流体中的分子上尚未取得成功。
为了克服这一限制，米尔纳博士和他的同事将分子嵌入掺杂了一氧化氮二聚体的氦纳米液滴中。随后，他们在激光脉冲之间引入了短暂的延迟。产生的干涉导致了慢得多的稳定旋转速率，使得分子更容易旋转，增加了研究人员所称的“可旋转性”。
探索超流性的极限
研究人员现在计划改变旋转频率（利用这种新型离心机提供的“控制旋钮”），以确定一个临界点，在该点由于超流性开始失效，预计分子旋转会急剧减慢。
“在如此微小的原子尺度上，这种转变如何发生以及何时发生——例如在什么频率下——人们还知之甚少，”米尔纳博士说。“这正是我们目前研究的关键领域。”
该研究得到了加拿大自然科学与工程研究理事会、加拿大创新基金会以及不列颠哥伦比亚省知识发展基金的支持。