Undersøgelse finder kvantetilstand af en roterende superfluid kan udledes på tre måder

Ifølge en nylig undersøgelse fra Helsinki Universitet, offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Letters , en hvirvel af en superfluid, der er blevet kvantificeret fire gange, har tre måder at dele sig på, afhængigt af temperaturen.

Væsken omdannes til en superfluid nær det absolutte temperaturnulpunkt (ca. -273°C). Interne modstandskræfter, såsom friktion, forsvinder. På dette tidspunkt kan væskens adfærd ikke længere beskrives ved hjælp af klassisk mekanik; i stedet skal kvantefysik anvendes.

Når en supervæske centrifugeres, bør den resulterende rotation aldrig blive langsommere, fordi supervæsker ikke har nogen viskositet eller friktion. Dette er blevet eksperimenteret med på atomniveau ved hjælp af helium ved meget langsom rotation, og det blev observeret, at supervæsken dog til sidst stoppede.

Årsagen er, at hvirvlen af ​​en superfluid bliver kvantificeret:den samlede hvirvler brydes ned i små hvirvler - vinkelmomentet er både kvantiseret og vedvarende og forsvinder derfor ikke.

Rotation er begrænset

En regulær hvirvel - såsom vand, der dræner fra en vask - kan dreje om sin akse ved enhver hastighed, hvorimod vinkelmomentet af en kvantiseret hvirvel altid er proportional med et heltal. Dette heltal kaldes viklingstallet. De snoede tal for individuelle og firdobbelt kvantiserede hvirvler er henholdsvis et og fire.

En firdobbelt kvantiseret hvirvel opdeles let i fire enkelt kvantificerede hvirvler, fordi en firdobbelt kvantiseret hvirvel er mere ustabil på grund af, at systemets energi aftager betydeligt efter opdelingen. Lavere energi betyder et mere stabilt system.

Doktorgradsforsker Xin Li fra Universitetet i Helsinki undersøgte spaltningsprocesserne af firdobbelt kvantiserede hvirvler i sit nylige arbejde. Hvad sker der, når en ustabil, firdobbelt kvantiseret hvirvel får lov til at eksistere ved tre forskellige temperaturer, alle stadig meget tæt på det absolutte nulpunkt?

Tre temperaturer, tre måder at opdele på

I undersøgelsen blev det observeret, at firdobbelt kvantificerede hvirvler har tre måder at spalte på, hvilket fører til tre forskellige mønstre. Selvom disse mønstre teoretisk var blevet identificeret i tidligere undersøgelser, viste resultaterne for første gang, at temperatur fører til forskellige spaltningsprocesser.

Spaltningen blev modelleret ved at anvende en relativt ny teori på fænomenet, kendt som gauge/tyngdekraftsdualitet eller holografi. Denne dobbelthed giver mulighed for en systematisk undersøgelse af temperaturens påvirkning på en måde, der ligner en realistisk situation.

Undersøgelsen indikerer, at der findes to observerede mønstre i lavtemperaturområdet, mens et tredje mønster kan opstå, hvis temperaturen øges yderligere. Eksperimentelt er to af disse spaltningsmønstre blevet observeret indtil videre, og forskerne foreslår, at ved en højere temperatur kan et nyt mønster blive synligt.

Flere oplysninger: Shanquan Lan et al., Heating Up Quadruply Quantized Vortices:Splitting Patterns and Dynamical Transitions, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.221602. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2311.01316

Journaloplysninger: Physical Review Letters , arXiv

Leveret af University of Helsinki