För första gången, forskare har dokumenterat den länge förutspådda förekomsten av "väggar bundna av strängar" i superfluid helium-3. Förekomsten av ett sådant föremål, ursprungligen förutsett av kosmologiteoretiker, kan hjälpa till att förklara hur universum svalnade efter Big Bang. Med den nyfunna förmågan att återskapa dessa strukturer i labbet, Jordbaserade forskare har äntligen ett sätt att studera några av de möjliga scenarier som kan ha ägt rum i det tidiga universum närmare.

Resultaten, publiceras 16 januari i Naturkommunikation , kom efter två på varandra följande symmetribrytande fasövergångar vid Aalto-universitetets lågtemperaturlaboratorium.

Helium förblir en vätska vid atmosfärstryck även när det kyls ner till absolut noll, där alla andra material fryser fast. Inte bara förblir helium flytande vid kryogena temperaturer, men det blir en supervätska vid en tillräckligt låg temperatur. Ett superflytande material har i huvudsak noll viskositet, vilket betyder att det ska flöda för alltid utan att förlora energi.

När den är begränsad till en nanostrukturerad volym, forskare kan använda superfluid faser av isotopen helium-3 för att studera effekter som halvkvantvirvlar – virvlar i supervätskan där mängden helium som strömmar strikt kontrolleras av kvantfysikens regler.

"Vi trodde först att halvkvantvirvlarna skulle försvinna när vi sänkte temperaturen. Det visar sig att de [halvkvantvirvlar] faktiskt överlever eftersom helium-3-provet kyls under en halv millikelvin - istället uppstår en icketopologisk vägg, säger Jere Mäkinen, huvudförfattare till studien och doktorand vid Aalto-universitetet.

Även om det inte är fysiska väggar, som skulle blockera flödet, de icke-topologiska väggarna förändrar de magnetiska egenskaperna hos helium. Forskarna kunde upptäcka förändringarna med hjälp av kärnmagnetisk resonans.

Under de första mikrosekunderna efter Big Bang, vissa kosmologer tror att hela universum upplevde symmetribrytande fasövergångar, som en supervätska inuti en nanostrukturerad volym när den kyls. Teorin säger att kvantfluktuationer eller topologiska defekter, som domänväggar och kvantvirvlar, i det ultrakondenserade universum frystes på plats när universum expanderade. Med tiden blev dessa frusna fluktuationer de galaxer som vi ser, och bor i, i dag. Att kunna skapa dessa objekt i labbet kan ge oss möjlighet att förstå mer om universum och varför det bildades på det sätt som det gjorde.

Som en bonus, strukturen hos dessa orkanliknande defekter som Mäkinen skapade i laboratoriet ger också en potentiell modell för studiet av topologisk kvantberäkning.

"Medan flytande helium-3 skulle vara för hårt och dyrt att underhålla som ett material för en fungerande dator, det ger oss en arbetsmodell för att studera fenomen som skulle kunna användas i mer tillgängligt framtida material, " han säger.

Professor emeritus Grigori Volovik, medförfattare till den nya studien, förutspådde först halvkvantvirvlar med V. P. Mineev på 1970-talet. De observerades först i heliumsuperfluid, i Aalto Low Temperature Lab, under 2016.