Neste muuttuu suprajuoksevaksi eli supranesteeksi lähellä absoluuttista nollapistettä (n. -273 ° C). Sen sisäiset vastustavat voimat kuten kitka katoavat. Tällöin nesteen käyttäytymistä ei pysty enää kuvaamaan klassisen mekaniikan avulla, vaan on käytettävä kvanttimekaniikkaa.
Kun suprajuoksevaa nestettä pyörittää, aikaansaadun pyörimisen ei pitäisi koskaan hidastua, sillä supranesteessä ei ole ollenkaan viskositeettia eli kitkaa. Tätä on kokeiltu atomitasolla heliumilla, jolloin todettiin, että suprajuokseva neste kuitenkin lopetti pyörimisen.
Syynä on se, että suprajuoksevan nesteen pyörre kvantittuu: aikaansaatu pyörre purkautuu pienemmiksi pyörteiksi – pyörimismäärä on sekä kvantittunut että säilyvä eikä siis katoa.
Pyörimistä rajoitetuilla tavoilla
Normaali pyörre – kuten vesi poistuessaan lavuaarista – voi pyöriä akselinsa ympäri millä tahansa nopeudella, kun taas kvantittuneen pyörteen pyörimismäärä on aina verrannollinen kokonaislukuun. Tätä kokonaislukua kutsutaan kierrosluvuksi. Yksittäisten ja nelinkertaisesti kvantittuneiden pyörteiden kierrosluvut ovat yksi ja neljä.
Nelinkertaisesti kvantittunut pyörre jakautuu helposti neljäksi yksittäiseksi kvantittuneeksi pyörteeksi, koska nelinkertaisesti kvantittunut pyörre on epävakaampi siitä syystä, että systeemin energia laskee merkittävästi jakautumisen jälkeen. Pienempi energia tarkoittaa vakaampaa järjestelmää.
Väitöskirjatutkija Xin Li Helsingin yliopistosta selvitti tutkimuksessaan nelinkertaisesti kvantittuneiden pyörteiden jakautumisprosesseja. Mitä tapahtuu, kun epävakaan, nelinkertaisesti kvantittuneen pyörteen annetaan olla kolmessa erilaisessa, mutta edelleen hyvin lähellä absoluuttista nollapistettä sijaitsevassa lämpötilassa?
Kolme lämpötilaa, kolme tapaa jakautua
Tutkimuksessa huomattiin, että nelinkertaisesti kvantittuneilla pyörteillä on kolme tapaa jakautua, jotka johtavat kolmeen eri kuvioon (ks. kuva alla). Vaikka nämä kuviot oli saatu teoreettisesti esiin jo aikaisemmissa tutkimuksissa, tulokset osoittivat ensimmäistä kertaa, että lämpötila johtaa erilaisiin jakautumisprosesseihin.
Jakautuminen saatiin mallinnettua soveltamalla prosessiin suhteellisen uutta teoriaa, jota kutsutaan mittakenttä/painovoima-dualiteetiksi tai holografiaksi. Sen avulla voidaan tutkia lämpötilan vaikutusta systemaattisesti todellisuutta vastaavalla tavalla.
Arvostetussa Physical Review Letters -tiedelehdessä julkaistu tutkimus osoittaa, että kaksi havaittua kuviota elää matalan lämpötilan alueilla, kun taas kolmas kuvio voi ilmestyä, jos lämpötilaa nostetaan edelleen. Kokeellisesti on havaittu toistaiseksi kaksi näistä hajoamiskuvioista ja tutkijat ehdottavatkin, että korkeammalla lämpötilalla voisi näkyä vielä uusi kuvio.
Alkuperäinen artikkeli: Shanquan Lan, Xin Li, Yu Tian, Peng Yang, ja Hongbao Zhang. Heating Up Quadruply Quantized Vortices: Splitting Patterns and Dynamical Transitions. Phys. Rev. Lett., 2023, DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.221602
Lisätietoa
Väitöskirjatutkija Xin Li
Helsingin yliopisto
p. 041 4817 969
xin.z.li@helsinki.fi
Vanhempi tutkija Niko Jokela
Helsingin yliopisto
p. 050 448 5600
niko.jokela@helsinki.fi