Enligt en färsk studie från Helsingfors universitet, publicerad i tidskriften Physical Review Letters , en virvel av en supervätska som har kvantiserats fyra gånger har tre sätt att dividera, beroende på temperaturen.
Vätskan omvandlas till en supervätska nära temperaturens absoluta nollpunkt (ungefär -273°C). Inre motståndskrafter, såsom friktion, försvinner. Vid denna tidpunkt kan vätskans beteende inte längre beskrivas med hjälp av klassisk mekanik; istället måste kvantfysik tillämpas.
När en supervätska snurras bör den resulterande rotationen aldrig sakta ner eftersom supervätskor inte har någon viskositet eller friktion. Detta har experimenterats med på atomnivå med hjälp av helium vid mycket långsam rotation, och det observerades att supervätskan dock så småningom stannade.
Anledningen är att virveln hos en superfluid blir kvantifierad:den totala virvlingen bryts ner i små virvlar – vinkelmomentet är både kvantiserat och ihållande och försvinner därför inte.
En vanlig virvel – som vatten som rinner ut från ett handfat – kan snurra runt sin axel med vilken hastighet som helst, medan vinkelmomentet för en kvantiserad virvel alltid är proportionell mot ett heltal. Detta heltal kallas lindningstalet. Lindningsnumren för individuella och fyrdubbla kvantiserade virvlar är ett respektive fyra.
En fyrdubbelt kvantiserad virvel delas lätt i fyra enkelkvantiserade virvlar eftersom en fyrdubblad kvantiserad virvel är mer instabil på grund av att systemets energi minskar avsevärt efter splittringen. Lägre energi innebär ett stabilare system.
Doktorandforskaren Xin Li från Helsingfors universitet undersökte splittringsprocesserna hos fyrdubbla kvantiserade virvlar i sitt senaste arbete. Vad händer när en instabil, fyrdubblad kvantifierad virvel tillåts existera vid tre olika temperaturer, alla fortfarande mycket nära absoluta nollpunkten?
I studien observerades att fyrdubbla kvantiserade virvlar har tre sätt att dela, vilket leder till tre olika mönster. Även om dessa mönster hade identifierats teoretiskt i tidigare studier, visade resultaten för första gången att temperatur leder till olika klyvningsprocesser.
Splittringen modellerades genom att applicera en relativt ny teori på fenomenet, känd som gauge/gravitation dualitet eller holografi. Denna dualitet möjliggör en systematisk undersökning av temperaturens påverkan på ett sätt som liknar en realistisk situation.
Studien indikerar att två observerade mönster finns i lågtemperaturområdet, medan ett tredje mönster kan uppstå om temperaturen höjs ytterligare. Experimentellt har två av dessa splittringsmönster observerats hittills, och forskarna föreslår att vid en högre temperatur kan ett nytt mönster bli synligt.
Mer information: Shanquan Lan et al, Heating Up Quadruply Quantized Vortices:Splitting Patterns and Dynamical Transitions, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.221602. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2311.01316
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , arXiv
Tillhandahålls av Helsingfors universitet
