Ny mekanisme fundet til at generere gigantiske hvirvler i kvantevæsker af lys

Enhver, der har drænet et badekar eller rørt fløde i kaffe, har set en hvirvel, en allestedsnærværende formation, der opstår, når væske cirkulerer. Men i modsætning til vand, væsker styret af kvantemekanikkens mærkelige regler har en særlig begrænsning:som det først blev forudsagt i 1945 af den fremtidige nobelvinder Lars Onsager, en hvirvel i en kvantevæske kan kun vride sig med hele talenheder.

Disse roterende strukturer forudsiges at være meget nyttige til at studere alt fra kvantesystemer til sorte huller. Men mens den mindst mulige kvantehvirvel, med en enkelt rotationsenhed, er set i mange systemer, større hvirvler er ikke stabile. Mens videnskabsmænd har forsøgt at tvinge større hvirvler til at holde sig sammen, resultaterne er blevet blandet:når hvirvlerne er blevet dannet, sværhedsgraden af ​​de anvendte metoder har generelt ødelagt deres anvendelighed.

Nu, Samuel Alperin og professor Natalia Berloff fra University of Cambridge har opdaget en teoretisk mekanisme, hvorigennem gigantiske kvantehvirvler ikke kun er stabile, men dannes af sig selv i ellers næsten ensartede væsker. Fundene, offentliggjort i tidsskriftet Optica , kunne bane vejen for eksperimenter, der kunne give indsigt i naturen af ​​roterende sorte huller, der har ligheder med gigantiske kvantehvirvler.

At gøre dette, forskerne brugte en kvantehybrid af lys og stof, kaldet en polariton. Disse partikler dannes ved at skinne laserlys på specielt lagdelte materialer. "Når lyset bliver fanget i lagene, lyset og materien bliver uadskillelige, og det bliver mere praktisk at se på det resulterende stof som noget, der er adskilt fra enten lys eller stof, mens de arver egenskaber af begge, " sagde Alperin, en ph.d. studerende ved Cambridges Institut for Anvendt Matematik og Teoretisk Fysik.

En af de mest betydningsfulde egenskaber ved polaritoner kommer fra det simple faktum, at lys ikke kan fanges for evigt. En væske af polaritoner, som kræver en høj tæthed af de eksotiske partikler, udstøder konstant lys, og skal fodres med frisk lys fra laseren for at overleve. "Resultatet, " sagde Alperin, "er en væske, som aldrig får lov til at bundfælde sig, og som ikke behøver at adlyde, hvad der normalt er grundlæggende begrænsninger i fysik, ligesom bevarelse af energi. Her kan energien ændre sig som en del af væskens dynamik."

Det var netop disse konstante strømme af flydende lys, som forskerne udnyttede til at lade den undvigende kæmpe hvirvel dannes. I stedet for at lade laseren skinne på selve polaritonvæsken, det nye forslag har lyset formet som en ring, forårsager en konstant indadstrøm svarende til hvordan vandet strømmer til et badekars afløb. Ifølge teorien, denne strøm er nok til at koncentrere enhver rotation i en enkelt gigantisk hvirvel.

"At den gigantiske hvirvel virkelig kan eksistere under forhold, der er modtagelige for deres undersøgelse og tekniske brug, var ret overraskende, "Alperin sagde, "men egentlig viser det bare, hvor fuldstændig adskilt polaritonernes hydrodynamik er fra mere velundersøgte kvantevæsker. Det er spændende territorium."

Forskerne siger, at de kun er i begyndelsen af ​​deres arbejde med gigantiske kvantehvirvler. De var i stand til at simulere kollisionen af ​​adskillige kvantehvirvler, mens de danser rundt om hinanden med stadigt stigende hastighed, indtil de støder sammen og danner en enkelt gigantisk hvirvel, analogt med kollisionen af ​​sorte huller. De forklarede også de ustabiliteter, der begrænser den maksimale hvirvelstørrelse, mens de udforskede den indviklede fysik af hvirveladfærden.

"Disse strukturer har nogle interessante akustiske egenskaber:de har akustiske resonanser, der afhænger af deres rotation, så de på en måde synger information om sig selv, sagde Alperin. Matematisk, det er ret analogt med den måde, roterende sorte huller udstråler information om deres egne egenskaber på."

Forskerne håber, at ligheden kan føre til ny indsigt i teorien om kvantevæskedynamik, men de siger også, at polaritoner kan være et nyttigt værktøj til at studere opførselen af ​​sorte huller.