超流氦是一種具有非常特殊性質(zhì)的物質(zhì)，它可以在沒有粘性阻力的情況下流動(dòng)，并且可以在很小的溫度差下產(chǎn)生熱流。超流氦也可以形成納米級(jí)別的液滴，這些液滴具有很高的內(nèi)部能量和很低的表面張力。這些液滴可以作為一種載體，將其他原子或分子摻雜到其中，形成各種有趣和有用的納米結(jié)構(gòu)。

然而，并不是所有的超流氦納米液滴都是相同的。一些液滴中存在著渦旋，這是一種量子化的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。渦旋會(huì)導(dǎo)致液滴內(nèi)部出現(xiàn)剪切應(yīng)力和局部加熱，從而影響摻雜原子或分子在液滴中的分布和排列。因此，如果我們想要制造出具有特定形狀和性質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)，我們就需要避免渦旋的產(chǎn)生。

那么，如何生成無渦旋的超流氦納米液滴呢？這就是發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》的一篇論文中要解決的問題。他們使用了一種新穎的方法，利用X射線衍射技術(shù)來觀察和分析摻雜氙原子在超流氦納米液滴中的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，可以制造出無渦旋且尺寸可達(dá)108個(gè)原子大小的超流氦納米液滴。這些無渦旋的液滴中，摻雜原子或分子會(huì)形成單個(gè)緊湊結(jié)構(gòu)，而不是多個(gè)分散結(jié)構(gòu)。這為我們提供了一個(gè)新的平臺(tái)，來研究低溫下遠(yuǎn)離平衡態(tài)的納米結(jié)構(gòu)。

方法

研究人員使用了一種稱為自由電子激光（FEL） 的X射線源來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。FEL可以產(chǎn)生非常強(qiáng)度高、波長(zhǎng)短、脈沖短、相干性好、可調(diào)諧性強(qiáng)的X射線束。FEL可以用來對(duì)超流氦納米液滴進(jìn)行衍射成像，從而獲得液滴的結(jié)構(gòu)信息。

他們首先用一種稱為超聲噴霧（USN） 的方法來生成超流氦納米液滴。USN是一種利用超聲波振動(dòng)來將氦氣分解成液滴的技術(shù)。USN可以產(chǎn)生尺寸分布較窄、平均尺寸可調(diào)的超流氦納米液滴。他們通過改變超聲波的頻率和功率，來控制液滴的大小和數(shù)量。

然后，他們用一種稱為拾取（pickup） 的方法來將氙原子摻雜到超流氦納米液滴中。拾取是一種利用氣體擴(kuò)散來將外部原子或分子吸附到液滴表面的技術(shù)。拾取可以產(chǎn)生不同摻雜量和不同摻雜物種的超流氦納米液滴。他們通過改變氙氣的壓力和溫度，來控制摻雜量和摻雜速率。

最后，他們用FEL對(duì)摻雜氙的超流氦納米液滴進(jìn)行X射線衍射成像。他們使用了一種稱為單粒子成像（SPI） 的技術(shù)，來記錄每個(gè)液滴的衍射圖像。SPI是一種利用X射線與單個(gè)粒子相互作用產(chǎn)生的散射信號(hào)來重構(gòu)粒子形狀的技術(shù)。SPI可以提供高分辨率和高靈敏度的結(jié)構(gòu)信息。

結(jié)果

他們對(duì)不同大小和不同摻雜量的超流氦納米液滴進(jìn)行了X射線衍射成像。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液滴大小小于107個(gè)原子每個(gè)液滴時(shí)，衍射圖像顯示出一個(gè)明顯的中心峰，這表明液滴中只有一個(gè)單一的摻雜結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)可以用一個(gè)球形或橢球形來近似，其半徑與摻雜量成正比。這說明這些液滴是無渦旋的，因?yàn)槿绻袦u旋存在，那么摻雜原子或分子會(huì)被排斥到液滴外圍，形成多個(gè)分散結(jié)構(gòu)。

當(dāng)液滴大小大于108個(gè)原子每個(gè)液滴時(shí)，衍射圖像顯示出多個(gè)峰，這表明液滴中有多個(gè)摻雜結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)可以用多個(gè)球形或橢球形來近似，其位置和大小與摻雜量和渦旋數(shù)目有關(guān)。這說明這些液滴是有渦旋的，因?yàn)槿绻麤]有渦旋存在，那么摻雜原子或分子會(huì)聚集到液滴中心，形成一個(gè)單一結(jié)構(gòu)。

當(dāng)液滴大小在107到108個(gè)原子每個(gè)液滴之間時(shí)，衍射圖像顯示出一個(gè)過渡區(qū)域，其中有一部分液滴是無渦旋的，另一部分是有渦旋的。這說明這個(gè)尺寸范圍是一個(gè)臨界點(diǎn)，決定了超流氦納米液滴是否產(chǎn)生渦旋。