Tyle że natura ma zwyczaj psuć najładniejsze slogany jednym detalem. Temperatura w prawdziwych eksperymentach nie wynosi zera absolutnego. I kiedy w takim superpłynie pojawiają się wiry kwantowe, zaczyna się mowa o tarciu, które jest tak subtelne, że długo wymykało się bezpośrednim pomiarom. Teraz udało się je złapać i policzyć w układzie, gdzie oddziaływania są wyjątkowo silne, w superpłynnym gazie ultrazimnych atomów.
Co właściwie oznaczy wir kwantowy i czemu jest ważniejszy niż wygląda?
W zwykłej wodzie wir to po prostu zawirowanie. Kręci się, miesza, po chwili zwalnia, bo lepkość i tarcie robią swoje. W superpłynie sytuacja jest bardziej elegancka i bardziej bezwzględna. Krążenie wokół wiru jest skwantowane. To nie metafora, tylko twarda konsekwencja mechaniki kwantowej. Wir niesie zawsze dokładnie jeden kwant cyrkulacji (albo wielokrotność), a jego struktura ma wyraźne, mierzalne własności.
I dlatego wiry kwantowe przewijają się w tematach, które pozornie nie mają ze sobą nic wspólnego. Od strat energii w nadprzewodnikach, przez dynamikę superpłynów, po modele wnętrz gwiazd neutronowych. Tam w grę wchodzi nie tylko to, czy coś płynie, ale jak płynie, co hamuje ruch, kiedy zaczyna się chaos i co robią wzbudzenia cieplne. W pewnym sensie wir jest jak wskaźnik stanu materii. Kiedy rozumiesz jego zachowanie, rozumiesz też masę procesów dookoła.
Dlaczego tarcie w superpłynie w ogóle się pojawia? Tu wchodzi kluczowa poprawka do idealnego obrazka. Nawet jeśli część układu jest nadpłynna, przy temperaturach większych od zera pojawia się też część normalna, czyli cieplne wzbudzenia, które zachowują się jak klasyczne, “tarciowe” składniki płynu. Wir poruszający się względem tej normalnej części zaczyna doświadczać oporu. To zjawisko ma swoją nazwę – tarcie wzajemne, bo dotyczy sprzężenia między częścią normalną i nadpłynną.
Problem polega na tym, że w superpłynach silnie oddziałujących to tarcie bywa mikroskopijne, a do tego miesza się z całą resztą efektów. Geometrią pułapki, dynamiką wirów, temperaturą, zaburzeniami. Innymi słowy sygnał jest, ale tonie w hałasie zjawisk towarzyszących. To jeden z tych przypadków, kiedy fizycy wiedzą, że “coś powinno być”, tylko naprawdę trudno to zważyć bez oszukiwania samego siebie.
Jak to zmierzono: dwa wiry, dysk z atomów i spirala zamiast kółka
Eksperyment zrobiono na ultrazimnym gazie litu-6, schłodzonym poniżej temperatury przejścia do nadciekłości i uwięzionym w niemal dwuwymiarowej pułapce o kształcie dysku. Zamiast komplikować układ, badacze zrobili coś sprytnego. Przygotowali minimalny duet wirów. Jeden przypięli w centrum, a drugi – o przeciwnym zwrocie, puścili swobodnie.
W idealnym świecie taki swobodny wir krążyłby po ładnym okręgu jak satelita po stabilnej orbicie. Tyle że tarcie wzajemne robi z okręgu spiralę. Ruch wciąż ma charakter orbitalny, ale promień stopniowo się zmienia, a tor zdradza, ile energii układ traci i jak bardzo zmienia się kierunek ruchu. Kluczowe jest to, że tę spiralę da się dopasować do prostego modelu ruchu wirów z dyssypacją i z tego dopasowania wyciągnąć liczby.
Wynik nie kończy się na stwierdzeniu, że jest tarcie. Wyszły dwa współczynniki. Wzdłużny, związany z rozpraszaniem energii (czyli takim klasycznym hamowaniem), oraz poprzeczny, który nie tyle hamuje, co odchyla ruch – zmienia kierunek, jakby wir był popychany na bok. Oba współczynniki rosną, gdy temperatura zbliża się do progu zaniku superpłynności, co brzmi logicznie. Im bliżej przejścia fazowego, tym więcej “normalności” w normalnej części płynu.
Ciekawsze jest jednak to, że składnik poprzeczny pozostaje wyraźnie niezerowy w całym badanym zakresie temperatur. To ważny szczegół, bo w wielu wcześniejszych badaniach innych superpłynów ten boczny element bywał bardzo mały. A tutaj nie. To tak, jakby układ mówił: samo hamowanie to za mało, ja jeszcze przekręcę ci trajektorię.
Kąt Halla wiru: efekt znany z metali, tylko że prąd “płynie” tu w postaci zawirowania
Żeby zamknąć opowieść w jednym, wdzięcznym parametrze, naukowcy policzyli tzw. kąt Halla wiru. Analogią jest klasyczny efekt Halla w przewodnikach. Prąd odchyla się poprzecznie w polu magnetycznym. Tu prądem jest ruch wiru, a odchylenie mówi o tym, jak silnie wir nie podąża dokładnie tam, gdzie powinien w idealnym obrazie superpłynu.
Ten kąt jest czymś więcej niż geometrią toru. Łączy się z czasem relaksacji kwazicząstek uwięzionych w rdzeniu wiru — czyli z tym, jak szybko mikroskopowy chaos w sercu zawirowania wygasa. I tu dochodzimy do jednej z najciekawszych ciekawostek w całym projekcie. Rdzeń wiru w takim silnie oddziałującym superpłynie nie jest pustą dziurą w płynie. To miejsce, w którym mogą siedzieć zlokalizowane stany kwazicząstek (wiąże się to m.in. ze stanami Andreeva i pokrewnymi motywami, które w teorii wirów wracają jak refren). To właśnie one potrafią dyktować, jak wir traci energię i skąd bierze się dyssypacja w układzie, który miał nie tracić.
W takich pracach łatwo popaść w fałszywą pewność. Dlatego ważne jest, że wyniki zestawiono z symulacjami numerycznymi oraz z modelem analitycznym, który pierwotnie opracowano dla zupełnie innego systemu, nadciekłego helu-3. Zgodność okazała się dobra, co sugeruje, że mimo silnych oddziaływań mechanizm tarcia wciąż jest mocno związany z fizyką rdzenia wiru i rozpraszaniem na wzbudzeniach cieplnych.
Do części teoretycznej wykorzystano duży europejski superkomputer i zaawansowane podejście do opisu nadciekłych układów w stanach nierównowagowych. Wśród autorów pojawiają się prof. dr hab. inż. Piotr Magierski oraz dr hab. inż. Gabriel Wlazłowski.
Źródło: Politechnika Warszawska; Nature