[论文解读] Generation of Large Vortex-Free Superfluid Helium Nanodroplets

Anatoli Ulmer, Andrea Heilrath+39 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2023

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用 2

一句话总结

本研究通过使用圆锥形喷嘴抑制角动量和涡旋，实现了大尺寸、无涡旋的超流氦纳米液滴的生成。X射线相干衍射成像显示，紧凑的氙纳米结构（表明无涡旋聚集）在每液滴约108个原子以内占主导地位，从而实现了在超流环境中对远离平衡态自组装过程的研究。

ABSTRACT

Superfluid helium nanodroplets are an ideal environment for the formation of metastable, self-organized dopant nanostructures. However, the presence of vortices often hinders their formation. Here, we demonstrate the generation of vortex-free helium nanodroplets and explore the size range in which they can be produced. From x-ray diffraction images of xenon-doped droplets, we identify that single compact structures, assigned to vortex-free aggregation, prevail up to $10^8$ atoms per droplet. This finding builds the basis for exploring the assembly of far-from-equilibrium nanostructures at low temperatures.

研究动机与目标

• 通过抑制超流氦纳米液滴中的涡旋形成，以实现对掺杂剂无涡旋自组装的研究。
• 确定无涡旋聚集占主导地位的尺寸范围。
• 绘制液滴尺寸随紧凑型与丝状氙纳米结构出现频率的变化关系。
• 利用X射线相干衍射成像实现在超流氦中对远离平衡态纳米结构的原位可视化。
• 建立一种生成大尺寸、无旋转扰动的氦液滴的方法，以探测低温下的自组织行为。

提出的方法

• 通过喉径150 µm、半顶角3°的圆锥形喷嘴进行超音速膨胀生成氦纳米液滴。
• 使用Parker阀在恒定驻压20 bar下运行，通过调节喷嘴温度（5 K至14 K）控制液滴形成。
• 在距离喷嘴出口约1.05 m处的液滴飞行路径上，通过气体掺杂腔引入氙掺杂剂。
• 在欧洲XFEL的小量子系统末端站应用X射线相干衍射成像（CXDI），以重建液滴形貌和掺杂剂纳米结构。
• 分析衍射图案，以区分紧凑型（无涡旋）与丝状（涡旋诱导）的氙聚集体。
• 将液滴尺寸（由衍射图案推断）与紧凑型与丝状结构的出现频率相关联，以确定无涡旋聚集的尺寸阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超流氦中，可观察到无涡旋聚集的液滴最大尺寸是多少？
• RQ2 喷嘴几何形状（圆锥形与针孔形）如何影响旋转畸变与涡旋形成？
• RQ3 在氙掺杂的氦液滴中，哪种结构形态（紧凑型与丝状）占主导，其与液滴尺寸有何关联？
• RQ4 能否生成足够大的无涡旋超流氦纳米液滴，以容纳复杂且自组织的纳米结构？
• RQ5 在多小的尺寸以下，可实现对远离平衡态纳米结构的成像，且不受涡旋干扰？

主要发现

• 在每液滴约108个原子以内的液滴中，观察到氙掺杂剂的无涡旋聚集，表现为紧凑且对称的衍射图案。
• 与以往的针孔喷嘴相比，圆锥形喷嘴设计显著降低了旋转畸变，表明角动量更低且涡旋更少。
• 在直径小于约200 nm的液滴中，紧凑的氙纳米结构（归因于无涡旋聚集）占主导地位。
• 在较大液滴或角动量较高的液滴中，观察到丝状结构，归因于涡旋诱导的聚集。
• 无涡旋环境促进了高度有序、自组织的纳米结构的形成，表明为研究超流体中非平衡态自组装提供了新途径。
• X射线相干衍射成像成功分辨了液滴形貌与内部掺杂剂结构，实现了对纳米结构形成动力学的原位分析。