Ny indsigt i supervæsker afslører en storm på overfladen

Opdagelsen af ​​et 'stormlag' skabt, når superfluid helium flyder hen over en ru overflade, har vendt et århundredes forståelse om en af ​​de vigtigste opdagelser i kvantefysikken på hovedet.

Matematikere fra Newcastle University, Storbritannien, har for første gang vist, at superflydende helium har et grænselag, der 'klæber' til overflader på samme måde som en almindelig væske.

Imidlertid, i modsætning til normale væsker, der trækkes tilbage af friktion, i superflydende helium er modstanden forårsaget af dannelsen af ​​mini-tornadoer, som vikler sig sammen som spaghetti, bremse flowet.

Udgivet i dag i det akademiske tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve , dette første bevis på et "storm"-lag ændrer alle tidligere antagelser om, hvordan supervæsker bevæger sig og kunne bruges til bedre at forstå deres brug som kølemidler og i præcisionsmåleapparater såsom gyroskoper.

Storm i en tekop

Hovedforfatter på avisen Dr George Stagg, fra School of Mathematics &Statistics ved Newcastle University, siger, at for at visualisere forskningsresultaterne behøver du kun at tænke på din morgenkopp.

"Forestil dig, at du rører en kop te og fjerner skeen, " forklarer han.

"Det ser ud som om hele teen hvirvler, men faktisk ved koppens væg står teen stille, da den sætter sig fast der. På grund af friktion, tilstødende lag af væske bliver holdt tilbage, når de forsøger at hvirvle rundt om koppen. Dette "grænselag" får hurtigt strømmen til at gå i stå.

"Men hvis vi skulle gentage med en kop superflydende helium, væsken ville blive ved med at hvirvle for evigt, da der ikke er nogen friktion, og intet grænselag, at holde det tilbage.

"Eller det er i hvert fald det, man altid har troet.

"Hvad vores forskning har vist er, at dette fænomen kun gælder for perfekt glatte overflader. Hvis overfladen er 'ru' ned til skalaen af ​​nanometer, som alle overflader er, så skabes der mini-tornadoer, når superfluiden flyder forbi overfladen.

"Disse hvirvlende hvirvler filtrer sig sammen som spaghetti og - ligesom når du dræner din spaghetti og lader den stå for længe i en gryde - klæber de sammen, skabe et langsomt bevægende grænselag mellem den frit bevægende væske og overfladen.

"Så i vores tekop, det, vi faktisk ville se rundt om kanten, er en 'storm' - et lag af hvirvlende tornadoer, der klistrer sammen og bringer væskestrømmen tættest på grænsen næsten til at stoppe.

"Det betyder at, i modsætning til vores tidligere forståelse, superfluid helium opfører sig faktisk på nogenlunde samme måde som en almindelig væske."

En af de vigtigste opdagelser i det 20. århundrede

Helium er et af de få kendte grundstoffer, der aldrig bliver et fast stof, men forbliver en væske selv ved ekstremt lave temperaturer.

I 1908, Den hollandske fysiker Kamerlingh Onnes blev den første person til at gøre helium flydende, og to år senere opdagede han, da det blev afkølet til blot et par grader over det absolutte nulpunkt, det ville brat holde op med at koge.

Det ville være flere årtier senere, imidlertid, før videnskabsmænd var i stand til at forklare det superkolde heliums mærkelige egenskaber - dets manglende viskositet og dets begrænsning til kun at hvirvle gennem små tornadoer af fast størrelse og styrke.

Sammen med andre ejendomme, disse blev 'overfluiditetens kendetegn'.

"Dette uhindrede flow var en af ​​de mest spændende egenskaber ved en supervæske, " forklarer Dr. Nick Parker, Universitetslektor i anvendt matematik og medforfatter på papiret.

"Det ændrede alt, hvad vi troede, vi vidste om friktionslovene. F.eks. hvis vi rører en kop te og skaber en 'tornado', så snart vi fjerner skeen, begynder tornadoen at bremse og stopper til sidst. Men hvis vi rører en supervæske, tornadoen vil fortsætte for evigt, selv når skeen er blevet fjernet.

"Denne mangel på viskositet er en af ​​nøglefunktionerne, der definerer en superfluid."

Betydningen af ​​grænselag

Grænselag opstår, når hverdagsvæsker, flyder forbi overflader, bremses af tyktflydende kræfter, og forståelsen af, hvad der sker ved grænselaget, er særlig vigtig i teknik.

"At se denne tætte forbindelse mellem supervæsker og klassiske væsker hjælper os med at sammensætte forbindelserne mellem disse tilsyneladende forskellige typer væske, muligvis endda for at danne en universel forståelse af, hvordan væsker flyder hen over overflader, " siger Dr Parker.

"Grænselag er afgørende i normale væsker til mange anvendelser, såsom forbedring af strømmen af ​​væsker gennem rør eller afstrømning af regnvand på byggematerialer.

Nu, i supervæsker, vi kan bruge denne forståelse til at forbedre deres anvendelser som kølemidler og i præcisionsmåleapparater som gyroskoper."