Süper akışkan helyumda simüle edilmiş bir girdap halkası yapısı. Kredi: Wei Guo’nun izniyle
Bilim adamları, süperakışkanlarla ilgili çalışmalarda bir çığır açtılar. Araştırmaları, süperakışkan helyumdaki girdap hareketinin yeni önerilen S2W modelini destekleyerek diğer kuantum akışkan sistemlerinde potansiyel uygulamalara yol açıyor.
Süperakışkanların Muamması
Süperakışkanlar, modern fizik araştırmaları alanında büyüleyici bir konu sunuyor. Kuantum mekaniği ilkeleri tarafından yönetilen ve sürtünmesiz akışlarıyla övülen bu büyüleyici maddeler, tuhaf özellikleri ve geniş kapsamlı potansiyel uygulamaları nedeniyle bilim adamları arasında merak uyandırdı.
Süper Akışkanlar Üzerine Çığır Açan Çalışma
Önemli bir çalışmada, Profesör Wei Guo liderliğindeki FAMU-FSU Mühendislik Koleji’nden araştırmacılar, bu kuantum sıvıları içindeki girdapların hareketini keşfetmede önemli ilerlemeler kaydettiler. Süperakışkan helyumdaki girdap halkalarının hareketine ilişkin araştırmaları Nature Communications’da yayınlandı. Daha da önemlisi, nicelenmiş girdapların yakın zamanda önerilen teorik modelini destekleyen ikna edici kanıtlar sunuyor.
Profesör Guo, “Bulgularımız uzun süredir devam eden soruları çözüyor ve süperakışkan içindeki girdap dinamiklerine ilişkin anlayışımızı geliştiriyor.”
Florida Eyalet Üniversitesi merkezli Ulusal Yüksek Manyetik Alan Laboratuvarı’nda doktora sonrası araştırmacı olan Yuan Tang. Kredi: Florida Eyalet Üniversitesi
Süperakışkanlarda Nicelleştirilmiş Girdaplar
Süperakışkanların ayırt edici bir özelliği, nicelenmiş girdapların varlığıdır. Bunlar minyatür kasırgalara benzeyen ince, içi boş tüplerdir. Süperakışkan helyumdaki türbülanstan nötron yıldızlarının dönüşündeki düzensizliklere kadar çeşitli olaylarda çok önemli bir rol oynarlar. Yine de, bu girdapların hareketinin doğru tahmin edilmesi zor bir görev olarak kaldı.
Bunun üstesinden gelmek için araştırma ekibi, girdap halkaları içinde hapsolmuş katılaşmış döteryum izleyici parçacıklar kullandı. Ekip, bu parçacıkları tabaka şeklindeki bir görüntüleme lazeriyle aydınlatarak hassas görüntüler yakalamayı ve parçacıkların hareketini ölçmeyi başardı.
S2W Modelinin Doğrulanması
Ekip ayrıca çeşitli teorik modeller kullanarak bir dizi simülasyon gerçekleştirdi. Sonuçlar, S2W modeli olarak bilinen yalnızca yakın zamanda önerilen kendi kendine tutarlı iki yönlü modelin girdap halkalarının gözlemlenen hareketini doğru bir şekilde yeniden ürettiğini gösterdi. S2W modeline göre halka, önceki teorilerin öngördüğünden daha yavaş olsa da, termal ortamla etkileşime girerken büzülmelidir.
Florida Eyalet Üniversitesi merkezli Ulusal Yüksek Manyetik Alan Laboratuvarı’nda doktora sonrası araştırmacı Yuan Tang, “Gördüğümüz tam olarak buydu. Bu araştırma, S2W modelini destekleyen ilk deneysel kanıtı sağlıyor.”
FAMU-FSU Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü’nde profesör olan Wei Guo. Kredi: Florida Eyalet Üniversitesi
Sonuçlar ve Gelecekteki Yönler
Bu atılımın sonuçları, süperakışkan helyumun çok ötesine geçiyor. Doğrulanmış S2W modeli, atomik Bose-Einstein yoğuşmaları ve süperakışkan nötron yıldızları gibi diğer kuantum sıvı sistemlerinde kullanım için umut vaat ediyor.
Guo, heyecanını şöyle dile getirdi: “S2W modelinin gelecekteki çalışmalar için sunduğu olasılıklar bizi heyecanlandırıyor. Artık süperakışkan helyum için geçerliliğini onayladığımıza göre, bu modeli diğer kuantum akışkan sistemlerine uygulamayı ve yeni bilimsel zorlukları keşfetmeyi hedefliyoruz.”
Bu araştırma hakkında daha fazla bilgi için The Great Mystery of Quantized Vortex Motion’a bakın.
Referans: “Kuantum dağılımını değerlendirmek için süper akışkan helyumda nicelenmiş girdap halkalarını görüntüleme”, Yuan Tang, Wei Guo, Hiromichi Kobayashi, Satoshi Yui, Makoto Tsu bota ve Toshiaki Kanai, 23 Mayıs 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-38787-w
Araştırmada ortak yazarlar Keio Üniversitesi’nden Hiromichi Kobayashi, Osaka Metropolitan Üniversitesi’nden Makoto Tsubota ve Satoshi Yui ile FSU lisansüstü öğrencisi Toshiaki Kanai yer aldı.{ 4}
Bu çalışma, Ulusal Bilim Vakfı, Gordon ve Betty Moore Vakfı ve Japonya Bilimi Teşvik Derneği tarafından desteklenmiştir.