De ontdekking van een 'stormlaag' die ontstaat wanneer supervloeibaar helium over een ruw oppervlak stroomt, heeft een eeuw aan begrip over een van de belangrijkste ontdekkingen in de kwantumfysica op zijn kop gezet.

Wiskundigen van de Universiteit van Newcastle, VK, hebben voor het eerst aangetoond dat supervloeibaar helium een ​​grenslaag heeft die op dezelfde manier aan oppervlakken 'kleeft' als een gewone vloeistof.

Echter, in tegenstelling tot normale vloeistoffen die door wrijving worden teruggetrokken, in supervloeibaar Helium wordt de weerstand veroorzaakt door het ontstaan ​​van mini-tornado's, die in elkaar verstrikt raken als spaghetti, het vertragen van de stroom.

Vandaag gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , dit eerste bewijs van een 'stormlaag' verandert alle aannames uit het verleden over hoe superfluïden bewegen en zou kunnen worden gebruikt om hun gebruik als koelvloeistof en in precisiemeetapparatuur zoals gyroscopen beter te begrijpen.

Storm in een theekopje

Hoofdauteur van het papier Dr. George Stagg, van de School of Mathematics &Statistics aan de Universiteit van Newcastle, zegt dat om de onderzoeksresultaten te visualiseren, je alleen maar aan je ochtendcuppa hoeft te denken.

"Stel je voor dat je een kopje thee roert en dan de lepel verwijdert, " hij legt uit.

"Het lijkt alsof de hele thee ronddraait, maar eigenlijk aan de wand van de beker staat de thee stil omdat hij daar vast komt te zitten. Door wrijving, aangrenzende vloeistoflagen worden tegengehouden terwijl ze rond de beker proberen te wervelen. Deze "grenslaag" zorgt er al snel voor dat de stroom tot stilstand komt.

"Maar als we zouden herhalen met een kopje supervloeibaar helium, de vloeistof zou voor altijd blijven wervelen omdat er geen wrijving is, en geen grenslaag, om het tegen te houden.

"Althans, dit is wat altijd is geloofd.

"Wat ons onderzoek heeft aangetoond, is dat dit fenomeen alleen geldt voor perfect gladde oppervlakken. Als het oppervlak 'ruw' is tot op de schaal van nanometer, zoals alle oppervlakken zijn, dan worden mini-tornado's gecreëerd terwijl de superfluïde langs het oppervlak stroomt.

"Deze wervelende draaikolken klitten in elkaar als spaghetti en - net als wanneer je je spaghetti afgiet en te lang in een pan laat staan ​​- plakken ze aan elkaar, het creëren van een langzaam bewegende grenslaag tussen de vrij bewegende vloeistof en het oppervlak.

"Dus in ons theekopje, wat we in werkelijkheid aan de rand zouden zien, is een 'storm' - een laag wervelende tornado's die aan elkaar plakken en de vloeistofstroom die zich het dichtst bij de grens bevindt, bijna tot stilstand brengt.

"Dit betekent dat, in tegenstelling tot ons vroegere begrip, superfluïde helium gedraagt ​​​​zich eigenlijk op vrijwel dezelfde manier als een gewone vloeistof."

Een van de belangrijkste ontdekkingen van de 20e eeuw

Helium is een van de weinige bekende elementen die nooit vast zullen worden, maar zelfs bij extreem lage temperaturen vloeibaar blijven.

1908, De Nederlandse natuurkundige Kamerlingh Onnes werd de eerste persoon die helium vloeibaar maakte en twee jaar later ontdekte hij dat toen het was afgekoeld tot slechts een paar graden boven het absolute nulpunt, het zou abrupt stoppen met koken.

Het zou enkele decennia later zijn, echter, voordat wetenschappers de vreemde eigenschappen van het superkoude helium konden verklaren - het gebrek aan viscositeit en de beperking om alleen door kleine tornado's van vaste grootte en sterkte te wervelen.

Samen met andere eigenschappen, deze werden de 'kenmerken van superfluïditeit'.

"Deze ongehinderde stroom was een van de meest opwindende eigenschappen van een superfluïde, " legt Dr. Nick Parker uit, Hoofddocent Toegepaste Wiskunde en co-auteur van de paper.

"Het veranderde alles wat we dachten te weten over de wetten van wrijving. Bijvoorbeeld, als we een kopje thee roeren en een 'tornado' creëren, zodra we de lepel verwijderen, begint de tornado te vertragen en stopt uiteindelijk. Maar als we een superfluïde roeren, de tornado zal voor altijd doorgaan, zelfs als de lepel is verwijderd.

"Dit gebrek aan viscositeit is een van de belangrijkste kenmerken die een superfluïde definieert."

Belang van grenslagen

Grenslagen ontstaan ​​wanneer alledaagse vloeistoffen, stroomt langs oppervlakken, worden afgeremd door viskeuze krachten en begrijpen wat er in de grenslaag gebeurt, is vooral belangrijk in de techniek.

"Door deze nauwe verbinding tussen superfluïden en klassieke vloeistoffen te zien, kunnen we de verbanden tussen deze schijnbaar verschillende soorten vloeistoffen samenvoegen, mogelijk om zelfs een universeel begrip te vormen van hoe vloeistoffen over oppervlakken stromen, ’ zegt dokter Parker.

"Begrenzingslagen zijn cruciaal in normale vloeistoffen voor veel toepassingen, zoals het verbeteren van de doorstroming van vloeistoffen door leidingen of het afvloeien van regenwater op bouwmaterialen.

Nutsvoorzieningen, in supervloeistoffen, we kunnen dit inzicht gebruiken om hun toepassingen als koelvloeistof en in precisiemeetapparatuur zoals gyroscopen te verbeteren."