Zrozumienie dynamiki płynów kwantowych, takich jak nadciekły hel czy ultrazimne gazy atomowe, stanowi jedno z największych wyzwań współczesnej fizyki materii skondensowanej. Choć nadciecze z definicji charakteryzują się zerową lepkością, ich zachowanie w skali makroskopowej, zwłaszcza w stanie rotacji, ujawnia złożone procesy dyssypatywne. Zespół naukowców z Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej, pod kierownictwem dr. hab. inż. Gabriela Wlazłowskiego, dokonał znaczącego postępu w tej dziedzinie, precyzyjnie wyznaczając parametry tarcia wzajemnego wirów kwantowych.
Nadciecze: płyn bez tarcia, ale z turbulencjami
Nadciecze to stan materii, w którym płyn może przepływać bez żadnego oporu wewnętrznego. To fascynujące zjawisko jest możliwe dzięki efektom kwantowym występującym w bardzo niskich temperaturach. Paradoksalnie, pomimo braku lepkości, gdy nadciecze zostanie wprawione w ruch wirowy, tworzy w nim regularną sieć wirów kwantowych. To właśnie interakcje między tymi wirami – ich wzajemne tarcie – są źródłem złożonej, turbulentnej dynamiki obserwowanej w eksperymentach.
Klucz do zrozumienia turbulencji kwantowej
Badania warszawskiego zespołu koncentrują się na kinetyce tych właśnie wirów. Naukowcy opracowali zaawansowane modele teoretyczne i przeprowadzili symulacje numeryczne, aby określić, w jaki sposób wiry oddziałują na siebie, zderzają się i rozpraszają energię. Wyznaczenie parametrów tarcia wzajemnego jest kluczowe dla opisu tzw. turbulencji kwantowej – stanu chaotycznego ruchu wirów, który jest kwantowym odpowiednikiem klasycznej turbulencji.
„Mimo że nadciekłość implikuje brak lepkości, ruch wirów nie jest pozbawiony oporów” – wyjaśnia dr hab. inż. Gabriel Wlazłowski. „Energia z ruchu zorganizowanego może być przekazywana do drgań sieci krystalicznej lub innych stopni swobody, co skutkuje efektem przypominającym tarcie. Nasza praca polega na ilościowym opisaniu tego zjawiska”.
Znaczenie odkrycia i przyszłe kierunki
Osiągnięcia polskich fizyków mają fundamentalne znaczenie dla nauki. Precyzyjny opis dynamiki wirów kwantowych:
- Pogłębia podstawową wiedzę o naturze materii w ekstremalnych warunkach.
- Stanowi kamień milowy w dążeniu do pełnego zrozumienia turbulencji, jednego z ostatnich nierozwiązanych problemów fizyki klasycznej.
- Może mieć zastosowania w przyszłych technologiach kwantowych, np. w czujnikach o niespotykanej czułości czy w systemach przenoszenia ciepła.
Prace zespołu z Politechniki Warszawskiej otwierają nowe możliwości badawcze. Kolejnym krokiem będzie bezpośrednie porównanie wyników modeli z danymi eksperymentalnymi uzyskiwanymi w laboratoriach ultraniskich temperatur na całym świecie. To doskonały przykład, jak zaawansowana teoria wspiera i napędza eksperyment, poszerzając granice naszej wiedzy o kwantowym świecie.
Foto: konto.chip.pl
