Wetting phenomena and pinned vorticity in superfluid 4'He

Abstract

On yleisesti hyväksytty tosiasia, että [4]He supraneste kastelee kaikki materiaalit lukuunottamatta cesiumia ja ehkä rubidiumia. Täydellisen kastelun aiheuttaa pinnan ja supranesteen välinen van der Waals-vuorovaikutus. Alles et al. havaitsivat yllättäen, että supranesteellä on vaikeuksia levitä kaupalliselle ei-heijastavalle pinnoitteelle, jonka päällimmäinen kerros on valmistettu magnesiumfluoridista. He havaitsivat pieniä kontaktikulmia (1-20 mrad) ja epäsäännöllisiä muodostelmia. Tämän käytöksen syy on toistaiseksi ollut epäselvä.

Tässä työssä esitellään uusi mekanismi, joka voi johtaa osittaista kastelua muistuttavaan käyttäytymiseen. Jos ohuessa supranestekalvossa on virtauspyörteitä 10[11] - 10[15] m[-2] tiheydellä, on kalvon paksuuden kasvattaminen energeettisesti epäedullista. Näin suuret vorteksitiheydet eivät kuitenkaan ole mahdollisia paksussa kalvossa, koska viereisen pyörteen aiheuttama virtaus kykenee irrottamaan kiinnittyneen pyörteen. Ohuiden ja paksujen kalvojen välillä on alue, jossa kalvo ei ole stabiili, ja siksi nestekerroksessa voi tapahtua nopea siirtymä ohuesta paksuun kalvoon ja siirtymäkohdassa nesteen profiiliin muodostuu terävä kulma, joka muistuttaa kolmen faasin kontaktikulmaa.

Kokeellisessa osiossa tutkittiin [4]He supranesteen leviämistä neljälle eri alustalle käyttäen optista interferometriaa. Siinä nesteen reuna valaistaan He-Ne laserilla, jolloin nesteen pinnasta sekä alustasta heijastuneet säteet muodostavat interferenssikuvion, joka havaitaan CCD-kameralla. Nestepinnan muoto voidaan erottaa interferenssikuvista. Alustoina käytettiin piidioksidia V-pinnoitteella ja HEBBAR-pinnoiteella, magnesiumfluoridia ja MgF_2:lla pinnoitettua lasia.

Kokonaan MgF_(2):sta valmistetulla alustalla havaittiin täydellinen kastelu aivan kuten oli odotettavissa. Monikerrospinnoitteilla nähtiin kontaktikulmia, jotka olivat suuruudeltaan 0° - 1°. Kulmat olivat voimakkaasti hystereettisiä: vetäytyvän nesteen muodostama kontaktikulma oli aina 0°. Vaikuttaa siltä, että supraneste kykenee kastelemaan kaikki alustat täydellisesti, mutta on olemassa mekanismi, joka aiheuttaa metastabiilien kontaktikulmien muodostumisen. Kokeelliset tulokset voidaan selittää tyydyttävästi vorteksimallin avulla.