Om en droppe gräddkanna faller från en sked i en virvlande kopp kaffe, bubbelpoolen drar droppen till rotation. Men vad skulle hända om kaffet inte hade någon friktion – inget sätt att dra droppen till ett synkroniserat snurrande?

Supervätskor – även kallade kvantvätskor – förekommer i ett stort antal system och tillämpningar. Till exempel, kosmologiska supervätskor smälter med varandra under sammanslagningar av neutronstjärnor, och forskare använder superfluid helium för att kyla magnetisk resonanstomografi (MRI) maskiner.

Vätskorna har unika och användbara egenskaper som styrs av kvantmekaniken - ett ramverk som vanligtvis används för att beskriva de mycket smås rike. För supervätskor, dock, dessa kvantmekaniska egenskaper dominerar på en större, makroskopisk skala. Till exempel, supervätskor saknar viskositet, en sorts inre friktion som gör att vätskan kan motstå och orsaka rörelse.

Denna brist på viskositet ger vätskan ovanliga förmågor, som att resa fritt genom rör utan energiförlust eller att förbli stilla i en snurrande behållare. Men när det kommer till rotationsrörelse, forskare kämpar för att förstå hur roterande supervätskor överför rörelsemängd – en egenskap som talar om hur snabbt vätskorna kommer att snurra.

I en färsk studie, forskare från U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory samarbetade med forskare från National High Magnetic Field Laboratory (MagLab) i Tallahassee, Florida, och Osaka City University i Japan för att utföra avancerade datorsimuleringar av sammansmältning av roterande supervätskor, avslöjar en märklig korkskruvsformad mekanism som driver vätskorna till rotation utan behov av viskositet.

När en roterande regndroppe faller i en damm, viskositeten gör att droppen kan driva det omgivande vattnet i rotation, genererar virvlar eller virvelströmmar i processen. Detta trögflytande motstånd minskar skillnaden i rörelse mellan de två kropparna. En övervätska, dock, tillåter denna skillnad.

"Atomerna stannar ungefär på samma plats när supervätskor överför rörelsemängd, till skillnad från virvelströmmar i klassiska vätskor, sa Dafei Jin, en forskare vid Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science-användaranläggning. "Istället för genom konvektion av partiklar, det är mer effektivt för superfluidatomer att överföra rörelsemängd genom kvantmekaniska interaktioner."

Dessa kvantmekaniska interaktioner ger upphov till en fascinerande effekt, visades i teamets simuleringar utförda med hjälp av Carbon-datorklustret på CNM. Forskarna simulerade sammansmältningen av roterande och stationära droppar av ett superfluid tillstånd av materia som kallas ett Bose-Einstein-kondensat (BEC).

"Vi valde att simulera Bose-Einstein Condensates eftersom de är relativt generella superfluidsystem som uppvisar egenskaper som delas av olika andra kvantvätskor, sa Wei Guo, en professor vid Florida State University (FSU) och en forskare vid MagLab.

Toshiaki Kanai, en doktorand hos Guo vid FSU:s fysikavdelning, ledde utformningen av simuleringarna, som modellerar interaktionen mellan två BEC droppar från det ögonblick de kommer i kontakt tills de smälter samman helt. Tsubota Makoto, en professor vid Osaka City University och expert på kvantvätskesimulering, bidrog även till projektdesign och tolkning av resultaten.

"Vi hade särskilt turen att arbeta med Dafei Jin på CNM, som hjälpte oss att lösa många tekniska utmaningar, sa Guo, en långvarig samarbetspartner med Jin, "och Argonne har datorkluster och andra beräkningsresurser som gjorde det möjligt för oss att effektivt utföra simuleringen många gånger under olika förhållanden för att få systematiska resultat."

När dropparna närmar sig varandra, korkskruvens form dyker upp spontant och sträcker sig in i båda dropparna, växer i storlek och inflytande tills de två dropparna blandas och roterar med samma hastighet.

"Det ser inte bara ut som en korkskruv - dess funktion är liknande, för, " sa Jin. "Den överför vinkelmomentum genom att vrida in i proverna, får dem att påskynda eller sakta ner sin rotation."

Simuleringsresultatet är tillämpligt på många laboratorie-BEC-system av olika storlekar, från tiotals nanometer till hundratals mikron – eller miljondelar av meter. Resultaten gäller även för större superfluidsystem. Trots skillnader i skala uppvisar alla superfluidsystem gemensamma grundläggande egenskaper kopplade till deras kvantnatur.

"Även om vi fokuserade på ett mycket litet system, resultaten är generella, " sa Guo. "Insikten vi fick om hur dessa interaktioner uppstår kan hjälpa fysiker att informera modeller av system från ultrakalla atomer i nanoskala till supervätskor i kosmologisk skala i astrofysiska system."

Till exempel, superfluid helium kan finnas på centimeter- och meterskala, och BEC i neutronstjärnor kan vara, väl, astronomisk till storleken. När neutronstjärnor smälter samman, de fungerar som två mycket stora, roterande superfluiddroppar i vissa avseenden, och upptäckten av korkskruvsmekanismen skulle kunna informera astrofysiska modeller om dessa sammanslagningar.

Forskarna hoppas kunna testa sin teoretiska upptäckt av korkskruvsmekanismen genom experiment. Kvantvätskor har implementeringar i kalla atomsystem, supervätskor, supraledare och mer, och grundläggande vetenskaplig forskning av deras beteende kommer att hjälpa till med utvecklingen av tillämpningar av dessa system.