Forskare har för första gången skapat en gigantisk kvantvirvel för att efterlikna ett svart hål i superfluid helium som har gjort det möjligt för dem att se mer detaljerat hur analoga svarta hål beter sig och interagerar med sin omgivning.
Forskning ledd av University of Nottingham, i samarbete med King's College London och Newcastle University, har skapat en ny experimentell plattform:en kvanttornado. De har skapat en gigantisk virvlande virvel i superfluid helium som kyls till lägsta möjliga temperaturer.
Genom observation av små vågdynamik på superfluidens yta har forskargruppen visat att dessa kvanttromber härmar gravitationsförhållanden nära roterande svarta hål. Forskningen har publicerats i Nature .
Uppsatsens huvudförfattare, Dr. Patrik Svancara från School of Mathematical Sciences vid University of Nottingham förklarar:"Att använda superfluid helium har gjort det möjligt för oss att studera små ytvågor mer detaljerat och noggrannare än med våra tidigare experiment i vatten. viskositeten för superfluid helium är extremt liten, vi kunde noggrant undersöka deras interaktion med superfluid-tornadon och jämföra fynden med våra egna teoretiska prognoser."
Teamet konstruerade ett skräddarsytt kryogent system som kan innehålla flera liter superfluid helium vid temperaturer lägre än -271°C. Vid denna temperatur får flytande helium ovanliga kvantegenskaper. Dessa egenskaper hindrar typiskt bildandet av jättevirvlar i andra kvantvätskor som ultrakalla atomgaser eller kvantvätskor av ljus, detta system visar hur gränsytan mellan superfluid helium fungerar som en stabiliserande kraft för dessa objekt.
Dr. Svancara fortsätter, "Superfluid helium innehåller små föremål som kallas kvantvirvlar, som tenderar att spridas isär från varandra. I vår uppsättning har vi lyckats begränsa tiotusentals av dessa kvantor i ett kompakt föremål som liknar en liten tornado , att uppnå ett virvelflöde med rekordstor styrka inom kvantvätskors rike."
Forskare avslöjade spännande paralleller mellan virvelflödet och gravitationspåverkan från svarta hål på den omgivande rumtiden. Denna prestation öppnar nya vägar för simuleringar av kvantfältsteorier med ändlig temperatur inom det komplexa området av krökta rumtider.
Professor Silke Weinfurtner, som leder arbetet i Black Hole Laboratory där detta experiment utvecklades, säger:"När vi först observerade tydliga signaturer av svarta håls fysik i vårt första analoga experiment tillbaka 2017, var det ett genombrottsögonblick för att förstå några av de bisarra fenomen som ofta är utmanande, för att inte säga omöjligt, att studera på annat sätt.
"Nu, med vårt mer sofistikerade experiment, har vi tagit den här forskningen till nästa nivå, vilket så småningom kan leda oss att förutsäga hur kvantfält beter sig i krökta rumstider runt astrofysiska svarta hål."
Kulmen på denna forskning kommer att firas och utforskas kreativt i en ambi-utställning med titeln "Cosmic Titans" på Djanogly Gallery, Lakeside Arts, University of Nottingham, från 25 januari till 27 april 2025 (och turnerar till arenor i Storbritannien och utomlands ).
Utställningen kommer att bestå av nybeställda skulpturer, installationer och uppslukande konstverk av ledande konstnärer inklusive Conrad Shawcross RA som är resultatet av en serie innovativa samarbeten mellan konstnärer och forskare under ledning av ARTlab Nottingham. Utställningen kommer att förena kreativa och teoretiska undersökningar om svarta hål och födelsen av vårt universum.
Mer information: Silke Weinfurtner, Roterande böjda rumtidssignaturer från en gigantisk kvantvirvel, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07176-8. www.nature.com/articles/s41586-024-07176-8
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av University of Nottingham
