Kvantumtornádók: szuperfolyadékot kevertek meg lézerkanállal

2011.06.10. 7:05

A Washington Egyetem fizikusai megalkottak egy elméleti modellt, és egy nagy teljesítményű szuperszámítógéppel kiszámolták a szuperfolyékony anyagok valós idejű viselkedését.

Száz éve fedezték fel a szupravezetést. Heike Kamerlingh Onnes higanyt hűtött folyékony héliummal az abszolút nulla fok közelébe, és azt tapasztalta, hogy egy adott hőmérséklet alatt a higany elektromos ellenállása megszűnik. Magának a folyékony héliumnak a viselkedése is különös: 2,2 kelvin alatt belső súrlódás nélkül folyik, és közönséges keverőpálcával nem lehet megkeverni. Nem azért, mert ellenerőt fejt ki, éppen ellenkezőleg: semmilyen ellenállást nem mutat, mintha vákuumot kevernénk - ezért egy ilyen szuperfolyadék például hajózáshoz teljesen alkalmatlan lenne. Ez a szuperfolyékonyság teszi lehetővé azt is, hogy a hélium a gravitációval látszólag szembeszegülve, az edény peremén felfelé kúszva kifolyjon.

Az azóta eltelt száz évben a tudósok nem tudtak pontos matematikai leírást találni e furcsa folyadék viselkedésére. Az elméleti alapok régóta ismertek, a gondot - mint ahogy a klasszikus esetekben is - a részecskék sokasága jelentette.

Most a Washington Egyetem fizikusai megalkottak egy elméleti modellt, és egy nagy teljesítményű szuperszámítógéppel kiszámolták a szuperfolyékony anyagok valós idejű viselkedését.

Ilyen szuperfolyadékok nemcsak a földi hideglaboratóriumokban, hanem a rendkívül forró neutroncsillagokban is megtalálhatók. Ezek a másodpercenként 1-1000 fordulatot végző égitestek a pulzárok. Bár 50 százalékkal nagyobb tömegűek, mint a Nap, átmérőjük kisebb, mint Budapesté, sűrűségük pedig megegyezik az atommagéval.

Ahogy egy neutroncsillag forog, a szuperfolyadék egészen másképp viselkedik a felszínén, mint a Föld felszínének vizei vagy mint a levegő. Ha nagy a forgási sebesség, a folyadékban  apró örvények sorai vannak jelen. Ezek az örvények háromszög alakú mintákba gyűlnek, és a háromszögek rácsszerkezetet alakítanak ki a folyadékban. A jelenség oka az, hogy a szuperfolyékony anyagokban nem teljesen nulla a belső súrlódás (a szupravezetőkben viszont pontosan nulla az ellenállás).

Forrás: phys.washington.edu
"Kvantumtornádók": örvények kialakulása és dinamikája egy 300 részecskét tartalmazó hengeres csapdában. A gázt egy labdával és egy rúddal keverve öt jól meghatározott örvény fejlődött ki.

"A forgási sebességet növelve egy újabb örvény keletkezik" - mondja Aurel Bulgac fizikus. "A folyamat diszkrét, az új örvény egy adott sebességértéknél jelenik meg." Sem az egész folyadék, sem a részei nem foroghatnak tetszőleges sebességgel, mert a rendszer perdülete csak rögzített diszkrét érték lehet. Az atomokban is csak adott értéket vehet fel az elektronok perdülete, a szuperfolyadékok esetében azonban nemcsak egy elemi részecskéről van szó, hanem nagyszámú atom együttes kvantumos viselkedéséről.

A jelenség laboratóriumi vizsgálatához egy kis, körülbelül egymillió atomból álló mintát kellett az abszolút nulla fok közelébe hűteni lézer felhasználásával. Az örvényeket egy "lézerkanállal" hozzák létre, amely elég gyorsan tudja keverni a szuperfolyadékot.

Egy szuperfolyékony anyag viselkedésének leírásához szinte végtelen számú egyenletre van szükség, amelyek változói szorosan függnek egymástól. Ha az egyik változik, a többi is követi. A folyamat modellezéséhez a kutatóknak egy olyan számítógépre volt szükségük, amely képes legalább egybillió (1 000 000 000 000) változóval számolni. A számításokat végül Oak Ridge National Laboratory kutatóintézet JaguarPF számítógépével végezték el. Ez a komputer csaknem negyedmillió processzort tartalmaz, a számítási idő egy egyprocesszoros számítógép esetén 8000 év lett volna.

Forrás: phys.washington.edu
Egy gömb alakú lövedék repült át a rendszer szimmetriatengelye mentén, és két örvénygyűrűt  hagyott maga után.

A számítások megmutatták, hogy a folyadékkeverés sebességét növelve a szuperfolyékony tulajdonság végül elvész - bár nem olyan gyorsan, mint ahogy korábban feltételezték. A szimuláció eredményét az alábbi oldal szemlélteti. Ezzel a módszerrel a kutatók közvetve a neutroncsillagok tulajdonságait tanulmányozhatják számítógépes szimulációkkal, egyben új kutatási irányok nyílnak meg a hidegatom-fizikában.

KAPCSOLÓDÓ CIKK