Nye kvantestrukturer i superkølet helium kan afspejle universets tidlige dage

For første gang, forskere har dokumenteret den længe forudsagte forekomst af 'vægge bundet af strenge' i superfluid helium-3. Eksistensen af ​​et sådant objekt, oprindeligt forudset af kosmologi teoretikere, kan hjælpe med at forklare, hvordan universet afkølet efter Big Bang. Med den nyfundne evne til at genskabe disse strukturer i laboratoriet, Jordbaserede forskere har endelig en måde at studere nogle af de mulige scenarier, der kunne have fundet sted i det tidlige univers nærmere.

Fundene, udkommer 16. januar i Naturkommunikation , kom efter to på hinanden følgende symmetriafbrydende faseovergange ved Aalto Universitets lavtemperaturlaboratorium.

Helium forbliver en væske ved atmosfærisk tryk, selv når det er nedkølet til absolut nul, hvor alle andre materialer fryser fast. Helium forbliver ikke kun flydende ved kryogene temperaturer, men det bliver et supervæske ved en tilstrækkelig lav temperatur. Et superflydende materiale har i det væsentlige nul viskositet, hvilket betyder, at den skal flyde for evigt uden at miste energi.

Når den er begrænset til et nanostruktureret volumen, forskere kan bruge superfluid faser af isotopen helium-3 til at studere effekter som halvkvante hvirvler-hvirvler i superfluidet, hvor mængden af ​​helium, der flyder, er strengt kontrolleret af reglerne for kvantefysik.

"Vi troede oprindeligt, at de halvkvante hvirvler ville forsvinde, når vi sænkede temperaturen. Det viser sig, at de [halvkvante hvirvler] faktisk overlever, da helium-3-prøven afkøles til under en halv millikelvin-i stedet dukker en ikke-topologisk væg op, "siger Jere Mäkinen, hovedforfatter af undersøgelsen og doktorand ved Aalto University.

Selvom det ikke er fysiske vægge, som ville blokere flow, de ikke -topologiske vægge ændrer heliumets magnetiske egenskaber. Forskerne var i stand til at opdage ændringerne ved hjælp af nuklear magnetisk resonans.

I de første få mikrosekunder efter Big Bang, nogle kosmologer mener, at hele universet oplevede symmetri-brydende faseovergange, som en supervæske inde i et nanostruktureret volumen, mens det er afkølet. Teorien går på, at kvanteudsving eller topologiske defekter, som domænevægge og kvantehvirvler, i det ultrakondenserede univers blev frosset på plads, da universet ekspanderede. Med tiden blev disse frosne udsving de galakser, vi ser, og bor i, i dag. At være i stand til at skabe disse objekter i laboratoriet kan give os mulighed for at forstå mere om universet, og hvorfor det dannede sig på den måde, det gjorde.

Som en bonus, strukturen af ​​disse orkanlignende defekter, Mäkinen skabte i laboratoriet, giver også en potentiel model til undersøgelse af topologisk kvanteberegning.

"Selvom flydende helium-3 ville være for hårdt og dyrt at vedligeholde som materiale til en fungerende computer, det giver os en arbejdsmodel til at studere fænomener, der kan bruges i mere tilgængelige fremtidige materialer, " han siger.

Professor emeritus Grigori Volovik, medforfatter af den nye undersøgelse, forudsagde først halvkvante hvirvler med V. P. Mineev i 1970'erne. De blev først observeret i helium superfluid, i Aalto lavtemperaturlaboratorium, i 2016.