Фізики з Австралії, Бразилії та Великобританії вперше отримали нанокаплі надплинного гелію-4 з електричним зарядом більше двох зарядів електрону. Для цього вчені кілька разів відбирали краплі і опромінювали їх електронами з енергією близько декількох сотень електронвольт. Максимальний заряд отриманої таким чином краплі становив 55, а середній час життя крапель становив декількох мілісекунд. Це дозволило вченим перевірити, як максимальний заряд краплі пов'язаний з її розміром. Стаття опублікована у та знаходиться у відкритому доступі, коротко про неї повідомляє.
Якщо охолодити гелій-4 до температури менше чотирьох градусів Кельвіна, він перетвориться на надплинну рідину - незвичайну фазу речовини, в якій повністю відсутнє в'язке тертя. На макроскопічних масштабах надплинні рідини вивчені досить добре. У той же час, на більш дрібних масштабах, на яких квантові ефекти відіграють істотну роль, поведінка надплинних рідин вивчено набагато гірше.
Зокрема, до недавнього часу фізики не знали, як руйнується нанокапля рідкого гелію - один з найпростіших об'єктів, в яких проявляються мікроскопічні властивості надплинної рідини. Звичайно, вчені припускали, що заряджена крапля буде нестабільною і швидко розпадеться на більш дрібні краплі. Принаймні, експерименти показували, що від одиничного електричного заряду крапля досить швидко позбавляється, викидаючи заряджений іон. Тим не менш, повідомити нанокаплі електричний заряд більше двох фізикам досі не вдавалося, тому більш складні ситуації досліджувалися тільки теоретично.
Група дослідників під керівництвом Майкла Гетчелла (Michael Gatchell) вперше отримала сильно заряджені нанокаплі надплинного гелію і безпосередньо простежила за їх розпадом. Максимальний отриманий заряд краплі дорівнював 55. Цікаво, що навіть такі сильно заряджені краплі залишалися стабільними протягом декількох мілісекунд. Після цього краплі починали поступово втрачати заряд і масу, випускаючи іони.
Щоб отримати нанокаплі, вчені пропускали надчистий (концентрація домішок менше 10 − 6) газоподібний гелій крізь вузьке (діаметром п'ять мікрометрів) сопло, охолоджене до чотирьох кельвінів. У результаті газ конденсувався в маленькі краплі, що містять від ста тисяч до десяти мільйонів атомів. Потім дослідники опромінювали краплі пучком електронів з енергією близько декількох сотень електронвольт. В результаті крапелі купували ненульовий електричний заряд, причому одні краплі заряджалися негативно, а інші позитивно. Після цього за допомогою сферичного електростатичного аналізатора вчені відбирали краплі з певним ставленням маси до заряду і знову опромінювали їх пучком електронів, щоб зарядити їх ще сильніше.
В результаті виявилося, що відношення маси до заряду крапель, отриманих після другої хвилі іонізації, в раціональне число разів більше, ніж відношення маси до заряду біля відібраних крапель. Це означає, що після другої іонізації маса крапель залишається незмінною, тоді як електричний заряд може зрости (якщо енергія електронів більше енергії іонізації) або впасти (в протилежному випадку). При цьому сумарний заряд краплі досягав 55.
Отримані сильно заряджені краплі жили недовго (кілька мілісекунд), проте вченим вистачило цього періоду, щоб виміряти мінімально можливий розмір краплі з заданим зарядом. Виявилося, що максимальний заряд, який можна «запхати» в краплю, прямо пропорційний площі її поверхні, тобто квадрату радіусу. При цьому повідомити подвійний заряд можна краплям, що містять понад сто тисяч атомів гелію, а 55-кратний заряд поміщається тільки в краплі з десяти мільйонів атомів.
Якісно отримана залежність узгоджується з теоретичним результатом, отриманим в теорії класичної зарядженої рідини: ця теорія в кілька разів завищує мінімальний розмір крапель, проте пророкує правильну ступеневу залежність. Грубо кажучи, в цій теорії заряди намагаються віддалитися один від одного на максимально можливу відстань, а тому рівномірно розподіляються по поверхні краплі; віддалено така крапля нагадує мильну бульбашку. Якщо ж сумарний заряд перевищує критичне значення, крапля просто розривається. Оскільки в реальності електричний заряд квантується, класичну теорію очевидно потрібно «підправити». Автори статті вважають, що такого виправлення буде достатньо, щоб «помирити» теорію з експериментом.
Також фізики відзначають, що заряджені центри, занурені в краплю надплинного гелію, служать центрами кристалізації для домішок, розчинених в рідині - отже, за допомогою сильно заряджених крапель можна одночасно виробляти кілька десятків наночастинок. Більш того, новий метод дозволяє більш тонко налаштовувати розміри і властивості синтезованих наночастинок, ніж метод з електрично нейтральними краплями гелію. Також дослідники стверджують, що заряджені краплі можна використовувати для посилення сигналу в іонній спектроскопії.
Хоча Петро Капіца отримав надплинний гелій понад сімдесят років тому, фізики досі знаходять у цій речовині нові незвичайні ефекти. Наприклад, у квітні 2015 року фізики з Нової Зеландії і США визначили «заборонену» кількість Рейнольдса для надплинних рідин. У червні того ж року японський вчений показав, що в таких рідинах можна плавати незважаючи на відсутність в'язкого тертя. У липні 2019 року фізики з Франції та Великобританії за допомогою універсального інструменту - наномеханічного резонатора - виміряли три режими загасання в надплинному гелії-4. А трохи раніше японські дослідники підтвердили, що надплинний гелію-3 можна описувати як хіральну рідину.