[论文解读] New Phases of Superfluid $^3$He Confined in Aerogels

W. P. Halperin, J. M. Parpia+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2018

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 21被引用 5

一句话总结

本文研究了在高孔隙率气凝胶中受限的 $^3$He 的新型超流相，证明了无序和受限环境可稳定独特的量子相，如极化相和等自旋配对（ESP）相。通过扭摆振荡器和核磁共振（NMR）技术，作者揭示了在向列型气凝胶中应变诱导的三临界点以及半量子涡旋的存在，推动了无序量子系统中拓扑超流性的研究。

ABSTRACT

Liquid $^3$He confined in low-density, highly porous random solids such as silica aerogel provides tuneable systems to study the effects of disorder and confinement on the properties of a quantum liquid. New superfluid phases result from the interplay between disorder, confinement and complex symmetry-breaking. An extended bibliography is appended. An edited and abbreviated version of this article appeared in Physics Today 71, 11, 30 (2018).

研究动机与目标

• 研究气凝胶中无序与受限效应如何改变 $^3$He 的超流相，特别是 p 波、自旋三重态 Cooper 对的稳定性。
• 探索在无序环境中出现的新颖量子相，如极化相和等自旋配对（ESP）相。
• 探究气凝胶中各向异性（由压缩或向列结构引起）在相变和拓扑激发中的作用。
• 利用 NMR 和机械共振技术探测并表征受限 $^3$He 超流体中的拓扑缺陷，如半量子涡旋。
• 建立利用气凝胶受限技术工程化纳米结构量子流体中拓扑量子相的框架。

提出的方法

• 采用扭摆振荡器测量，直接探测在 98% 孔隙率的二氧化硅气凝胶中受限的 $^3$He 的超流分数。
• 利用核磁共振（NMR）测量频率漂移，探测超流态的对称性和相干性。
• 采用比热测量识别相变，并区分 BCS 类与无能隙激发。
• 通过控制压缩各向同性二氧化硅气凝胶，制备各向异性气凝胶，诱导应变和双折射，并通过光学方法量化。
• 利用具有定向 Al2O3 纤维的向列型氧化铝气凝胶（nafen），创造强各向异性，实现 Cooper 对轨道的对齐。
• 结合理论建模与实验数据，包括 Ali 等人（2011）关于气凝胶中配对破坏的理论，解释相图与临界场。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高孔隙率的二氧化硅气凝胶中，无序如何影响 $^3$He 中 p 波、自旋三重态超流相的稳定性？
• RQ2 在应变或各向异性气凝胶中受限的 $^3$He 中，会涌现出哪些新的超流相？它们与体相 $^3$He 相比有何不同？
• RQ3 能否在气凝胶中稳定 $^3$He 的极化相？其存在的证据是什么？
• RQ4 应变在压缩气凝胶中 $^3$He 相图中诱导新临界场 $H_c$ 和三临界点的过程中起什么作用？
• RQ5 能否在向列型气凝胶中受限的 $^3$He 中探测到如半量子涡旋等拓扑激发？其在 NMR 和机械响应中的特征是什么？

主要发现

• 在 98% 孔隙率的二氧化硅气凝胶中受限的 $^3$He 中，出现了一种新型超流相，其超流分数在 29 bar 下相对于体相 $^3$He 显著降低，表明存在强烈的无序效应。
• 确定了临界压力 $p_c \approx 5$ bar，低于此压力时超流性完全被抑制，标志着无序诱导的量子相变。
• 在低压区域观测到等自旋配对（ESP）相，表明在无序环境中常规 BCS 配对对称性被破坏。
• 在压缩气凝胶中，于 20% 应变和 26 bar 条件下观测到新的临界场 $H_c = 0.1$ T，标志着正常相、A 相和 B 相之间的三临界点。
• 在向列型氧化铝气凝胶（nafen）中，首次超流转变进入极化相，Cooper 对沿向列轴对齐，NMR 和扭摆振荡器数据均证实了这一点。
• 赫尔辛基-莫斯科合作团队在 $T = 300\,\mu\text{K}$ 时通过 NMR 光谱在 nafen 气凝胶中 $^3$He 的极化相中探测到半量子涡旋，为拓扑超流性提供了直接证据。