Naukowcy badają zachowanie wirów kwantowych w nadciekłym gazie atomowym
Międzynarodowy zespół badaczy z udziałem naukowców z Politechniki Warszawskiej opublikował w prestiżowym czasopiśmie „Nature Communications” wyniki badań, które pozwalają lepiej zrozumieć zachowanie tzw. wirów kwantowych w nadciekłym gazie atomowym.
Choć temat może brzmieć bardzo specjalistycznie, dotyczy on jednego z najbardziej niezwykłych stanów materii – takiego, w którym ciecz może płynąć bez oporu. Zrozumienie, jak w takim środowisku poruszają się i oddziałują wiry, ma kluczowe znaczenie dla fizyki współczesnej.
Badania dotyczyły silnie oddziałującego, nadciekłego gazu zbudowanego z atomów litu. Naukowcy po raz pierwszy dokonali bezpośrednich pomiarów parametrów opisujących „siłę tarcia” działającą na poruszający się wir kwantowy. Choć nadciekłość kojarzy się z brakiem oporu, w rzeczywistych układach pojawiają się subtelne efekty związane z oddziaływaniem wiru z otaczającym go ośrodkiem. Do tej pory ich dokładny charakter nie był w pełni poznany. Kluczową rolę w analizie odegrały zaawansowane symulacje numeryczne przeprowadzone z wykorzystaniem jednego z największych europejskich superkomputerów – LUMI. Obliczenia oparto na rozwijanym w Warszawie podejściu teoretycznym do opisu nadciekłych układów kwantowych poza stanem równowagi oraz na specjalistycznym oprogramowaniu tworzonym przez zespół badawczy. Dzięki temu możliwe było bardzo precyzyjne odtworzenie warunków eksperymentalnych i porównanie wyników teorii z pomiarami.
Znaczenie tych wyników wykracza poza laboratorium
Uzyskana zgodność między symulacjami a danymi eksperymentalnymi pozwoliła szczegółowo wyjaśnić mechanizmy odpowiedzialne za powstawanie efektów dyssypacyjnych, czyli procesów, w których energia układu stopniowo się rozprasza. To ważny krok w kierunku pełnego zrozumienia transportu energii i ruchu w silnie oddziałujących układach kwantowych. Badania pokazują, że nawet w układach uznawanych za niemal „idealne” pojawiają się złożone procesy, które można dziś dokładnie opisać i przewidzieć.
Lepsze poznanie zasad rządzących nadciekłymi gazami atomowymi pomaga w rozwijaniu technologii opartych na kontrolowanych układach kwantowych, w tym w badaniach nad przyszłymi systemami obliczeń kwantowych czy precyzyjnymi czujnikami. Jednocześnie zdobyta wiedza ma zastosowanie w astrofizyce – podobne zjawiska przewiduje się w materii tworzącej wnętrza gwiazd neutronowych, gdzie również mogą występować nadciekłe stany materii z kwantowymi wirami. Oznacza to, że badania prowadzone w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych pomagają lepiej zrozumieć procesy zachodzące w najbardziej ekstremalnych obiektach we Wszechświecie.
Źródło: Politechnika Warszawska
Czytaj też: Szybki błysk z dokładnym adresem. Polscy astronomowie na tropie
Grafika tytułowa: Mario Amé / Unsplash
