Upptäckten av ett "storm" -lager skapat när överflödigt helium strömmar över en grov yta har vänt ett sekel av förståelse om en av de viktigaste upptäckterna inom kvantfysiken på huvudet.

Matematiker från Newcastle University, STORBRITANNIEN, har visat för första gången att överflödigt Helium har ett gränsskikt som "fastnar" på ytor på samma sätt som en vanlig vätska.

Dock, till skillnad från normala vätskor som dras tillbaka av friktion, i superfluid Helium orsakas motståndet av skapandet av minitornados, som trasslar ihop som spagetti, bromsar flödet.

Publicerad idag i den akademiska tidskriften Fysiska granskningsbrev , detta första bevis på ett "storm" -skikt förändrar alla tidigare antaganden om hur supervätskor rör sig och kan användas för att bättre förstå deras användning som kylmedel och i precisionsmätningsanordningar som gyroskop.

Storm i en tekopp

Huvudförfattare på tidningen Dr George Stagg, från School of Mathematics &Statistics vid Newcastle University, säger att för att visualisera forskningsresultaten behöver du bara tänka på din morgonkoppa.

"Tänk dig att du rör om en kopp te och sedan tar bort skeden, " han förklarar.

"Det ser ut som om hela teet virvlar runt, men faktiskt vid koppens vägg står teet stilla eftersom det fastnar där. På grund av friktion, intilliggande vätskeskikt hålls tillbaka när de försöker virvla runt koppen. Detta "gränsskikt" får snart flödet att stanna.

"Men om vi skulle upprepa med en kopp överflödigt helium, vätskan skulle fortsätta virvla för alltid eftersom det inte finns någon friktion, och inget gränsskikt, att hålla tillbaka den.

"Eller åtminstone är detta vad man alltid har trott.

"Vad vår forskning har visat är att detta fenomen endast gäller för perfekt släta ytor. Om ytan är" grov "ner till nanometers skala, som alla ytor är, då skapas minitornado när supervätskan flyter förbi ytan.

"Dessa virvlande virvlar trasslar ihop som spagetti och - precis som när du tömmer din spagetti och lämnar den för länge i en kastrull - håller de ihop sig, skapa ett långsamt rörligt gränsskikt mellan den fritt rörliga vätskan och ytan.

"Så i vår tekopp, vad vi faktiskt skulle se runt kanten är en "storm" - ett lager av virvlande tornados som sticker ihop och tar vätskeflödet närmast gränsen nästan till ett stopp.

"Detta innebär att, i strid med vår tidigare förståelse, superfluid helium beter sig faktiskt på ungefär samma sätt som en vanlig vätska. "

En av 1900 -talets viktigaste upptäckter

Helium är ett av få kända element som aldrig kommer att bli ett fast ämne utan förblir en vätska även vid extremt låga temperaturer.

År 1908, Den nederländska fysikern Kamerlingh Onnes blev den första som flytande helium och två år senare upptäckte han när det svalnade till bara ett par grader över absolut noll, det skulle plötsligt sluta koka.

Det skulle vara flera decennier senare, dock, innan forskare kunde förklara de underliga egenskaperna hos det superkalla heliumet - dess brist på viskositet och dess begränsning att bara virvla genom små tornados av fast storlek och styrka.

Tillsammans med andra fastigheter, dessa blev "överflödighetens kännetecken".

"Detta obehindrade flöde var en av de mest spännande egenskaperna hos en supervätska, "förklarar Dr Nick Parker, Universitetslektor i tillämpad matematik och medförfattare på uppsatsen.

"Det förändrade allt vi trodde att vi visste om friktionslagarna. Till exempel, om vi rör om en kopp te och skapar en "tornado", så snart vi tar bort skeden börjar tornado sakta ner och slutar slutligen. Men om vi rör om en supervätska, tornado kommer att fortsätta för alltid även när skeden har tagits bort.

"Denna brist på viskositet är en av nyckelfunktionerna som definierar en supervätska."

Betydelsen av gränslager

Gränslager uppstår när dagliga vätskor, rinner förbi ytor, bromsas av viskösa krafter och att förstå vad som händer vid gränsskiktet är särskilt viktigt inom teknik.

"Att se detta nära samband mellan supervätskor och klassiska vätskor hjälper oss att sammanfoga länkarna mellan dessa uppenbarligen olika vätsketyper, möjligen till och med skapa en universell förståelse för hur vätskor strömmar över ytor, "säger Dr Parker.

"Gränslager är avgörande för normala vätskor för många applikationer, som att förbättra vätskeflödet genom rör eller avrinningen av regnvatten på byggmaterial.

Nu, i supervätskor, Vi kan använda denna förståelse för att förbättra deras applikationer som kylmedel och i precisionsmätningsanordningar som gyroskop. "