没有漩涡的更大的超流氦纳米液滴

超流氦是一种具有非常特殊性质的物质，它可以在没有粘性阻力的情况下流动，并且可以在很小的温度差下产生热流。超流氦也可以形成纳米级别的液滴，这些液滴具有很高的内部能量和很低的表面张力。这些液滴可以作为一种载体，将其他原子或分子掺杂到其中，形成各种有趣和有用的纳米结构。

然而，并不是所有的超流氦纳米液滴都是相同的。一些液滴中存在着涡旋，这是一种量子化的旋转流动。涡旋会导致液滴内部出现剪切应力和局部加热，从而影响掺杂原子或分子在液滴中的分布和排列。因此，如果我们想要制造出具有特定形状和性质的纳米结构，我们就需要避免涡旋的产生。

那么，如何生成无涡旋的超流氦纳米液滴呢？这就是发表在《物理评论快报》的一篇论文中要解决的问题。他们使用了一种新颖的方法，利用X射线衍射技术来观察和分析掺杂氙原子在超流氦纳米液滴中的结构和动力学。结果发现，在一定条件下，可以制造出无涡旋且尺寸可达108个原子大小的超流氦纳米液滴。这些无涡旋的液滴中，掺杂原子或分子会形成单个紧凑结构，而不是多个分散结构。这为我们提供了一个新的平台，来研究低温下远离平衡态的纳米结构。

方法

研究人员使用了一种称为自由电子激光（FEL） 的X射线源来进行实验。FEL可以产生非常强度高、波长短、脉冲短、相干性好、可调谐性强的X射线束。FEL可以用来对超流氦纳米液滴进行衍射成像，从而获得液滴的结构信息。

他们首先用一种称为超声喷雾（USN） 的方法来生成超流氦纳米液滴。USN是一种利用超声波振动来将氦气分解成液滴的技术。USN可以产生尺寸分布较窄、平均尺寸可调的超流氦纳米液滴。他们通过改变超声波的频率和功率，来控制液滴的大小和数量。

然后，他们用一种称为拾取（pickup） 的方法来将氙原子掺杂到超流氦纳米液滴中。拾取是一种利用气体扩散来将外部原子或分子吸附到液滴表面的技术。拾取可以产生不同掺杂量和不同掺杂物种的超流氦纳米液滴。他们通过改变氙气的压力和温度，来控制掺杂量和掺杂速率。

最后，他们用FEL对掺杂氙的超流氦纳米液滴进行X射线衍射成像。他们使用了一种称为单粒子成像（SPI） 的技术，来记录每个液滴的衍射图像。SPI是一种利用X射线与单个粒子相互作用产生的散射信号来重构粒子形状的技术。SPI可以提供高分辨率和高灵敏度的结构信息。

结果

他们对不同大小和不同掺杂量的超流氦纳米液滴进行了X射线衍射成像。他们发现，当液滴大小小于107个原子每个液滴时，衍射图像显示出一个明显的中心峰，这表明液滴中只有一个单一的掺杂结构。这个结构可以用一个球形或椭球形来近似，其半径与掺杂量成正比。这说明这些液滴是无涡旋的，因为如果有涡旋存在，那么掺杂原子或分子会被排斥到液滴外围，形成多个分散结构。

当液滴大小大于108个原子每个液滴时，衍射图像显示出多个峰，这表明液滴中有多个掺杂结构。这些结构可以用多个球形或椭球形来近似，其位置和大小与掺杂量和涡旋数目有关。这说明这些液滴是有涡旋的，因为如果没有涡旋存在，那么掺杂原子或分子会聚集到液滴中心，形成一个单一结构。

当液滴大小在107到108个原子每个液滴之间时，衍射图像显示出一个过渡区域，其中有一部分液滴是无涡旋的，另一部分是有涡旋的。这说明这个尺寸范围是一个临界点，决定了超流氦纳米液滴是否产生涡旋。