Teoretisk gennembrud viser, at kvantevæsker roterer ved hjælp af proptrækkermekanisme

Hvis en dråbe flødekande falder fra en ske ned i en hvirvlende kop kaffe, boblebadet trækker dråben til rotation. Men hvad ville der ske, hvis kaffen ikke havde nogen friktion - ingen måde at trække dråben til et synkroniseret spin?

Supervæsker - også kaldet kvantevæsker - optræder i en lang række systemer og applikationer. For eksempel, kosmologiske supervæsker smelter sammen under neutronstjernefusioner, og forskere bruger superfluid helium til at afkøle magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) maskiner.

Væskerne har unikke og nyttige egenskaber styret af kvantemekanik - en ramme, der normalt bruges til at beskrive de helt smås rige. For supervæsker, imidlertid, disse kvantemekaniske egenskaber dominerer på en større, makroskopisk skala. For eksempel, supervæsker mangler viskositet, en slags indre friktion, der tillader væsken at modstå og forårsage bevægelse.

Denne mangel på viskositet giver væskerne usædvanlige evner, som at rejse frit gennem rør uden tab af energi eller forblive stille inde i en roterende beholder. Men når det kommer til rotationsbevægelse, videnskabsmænd kæmper for at forstå, hvordan roterende supervæsker overfører vinkelmomentum - en kvalitet, der taler om, hvor hurtigt væskerne vil spinde.

I en nylig undersøgelse, forskere fra U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory samarbejdede med forskere fra National High Magnetic Field Laboratory (MagLab) i Tallahassee, Florida, og Osaka City University i Japan for at udføre avancerede computersimuleringer af sammensmeltning af roterende supervæsker, afslører en ejendommelig proptrækker-formet mekanisme, der driver væskerne i rotation uden behov for viskositet.

Når en roterende regndråbe falder ned i en dam, viskositet gør det muligt for dråben at drive det omgivende vand til rotation, generere hvirvler eller hvirvelstrømme i processen. Denne tyktflydende modstand reducerer forskellen i bevægelse mellem de to kroppe. En supervæske, imidlertid, tillader denne forskel.

"Atomerne forbliver nogenlunde det samme sted, når superfluider overfører vinkelmomentum, i modsætning til hvirvelstrømme i klassiske væsker, " sagde Dafei Jin, en videnskabsmand ved Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science-brugerfacilitet. "I stedet for gennem konvektion af partikler, det er mere effektivt for superflydende atomer at overføre vinkelmomentum gennem kvantemekaniske interaktioner."

Disse kvantemekaniske interaktioner giver anledning til en fascinerende effekt, udstillet i teamets simuleringer udført ved hjælp af Carbon-computerklyngen på CNM. Forskerne simulerede sammensmeltningen af ​​roterende og stationære dråber af en superflydende stoftilstand kaldet et Bose-Einstein-kondensat (BEC).

"Vi valgte at simulere Bose-Einstein-kondensater, fordi de er relativt generelle superfluidsystemer, der udviser egenskaber, der deles af forskellige andre kvantevæsker, " sagde Wei Guo, en professor ved Florida State University (FSU) og en forsker ved MagLab.

Toshiaki Kanai, en kandidatstuderende fra Guo's i FSU's fysikafdeling, ledet designet af simuleringerne, som modellerer interaktionen mellem to BEC dråber fra det øjeblik, de kommer i kontakt, indtil de smelter fuldstændigt sammen. Tsubota Makoto, en professor ved Osaka City University og ekspert i kvantevæskesimulering, også bidraget til projektdesign og fortolkning af resultaterne.

"Vi var særligt heldige at arbejde sammen med Dafei Jin på CNM, som hjalp os med at løse mange tekniske udfordringer, " sagde Guo, en mangeårig samarbejdspartner med Jin, "og Argonne har computerklynger og andre beregningsressourcer, der gjorde det muligt for os effektivt at udføre simuleringen mange gange under forskellige forhold for at opnå systematiske resultater."

Når dråberne nærmer sig hinanden, proptrækkerformen kommer spontant frem og strækker sig ind i begge dråber, vokser i størrelse og indflydelse, indtil de to dråber blandes og roterer med samme hastighed.

"Det ligner ikke bare en proptrækker - dens funktionalitet ligner, også, " sagde Jin. "Den overfører vinkelmomentum ved at vride ind i prøverne, får dem til at fremskynde eller bremse deres rotation."

Simuleringsresultatet kan anvendes til mange laboratorie-BEC-systemer af forskellige størrelser, fra snesevis af nanometer til hundredvis af mikron – eller milliontedele af meter. Resultaterne gælder også for større superfluidsystemer. På trods af forskelle i skala udviser alle superfluidsystemer fælles grundlæggende egenskaber forbundet med deres kvantenatur.

"Selvom vi fokuserede på et meget lille system, resultaterne er generelle, " sagde Guo. "Den indsigt, vi fik i, hvordan disse interaktioner opstår, kan hjælpe fysikere med at informere modeller af systemer fra ultrakolde atomer i nanoskala til supervæsker i kosmologisk skala i astrofysiske systemer."

For eksempel, superflydende helium kan eksistere på centimeter- og meterskalaen, og BEC'er i neutronstjerner kan være, godt, astronomisk i størrelse. Når neutronstjerner smelter sammen, de fungerer som to meget store, roterende superflydende dråber i nogle henseender, og opdagelsen af ​​proptrækkermekanismen kunne informere astrofysiske modeller om disse fusioner.

Forskerne håber at teste deres teoretiske opdagelse af proptrækkermekanismen gennem eksperimenter. Kvantevæsker har implementeringer i kolde atomsystemer, supervæsker, superledere og mere, og grundlæggende videnskabelig forskning i deres adfærd vil hjælpe med udviklingen af ​​applikationer af disse systemer.