Voor de eerste keer, onderzoekers hebben het lang voorspelde voorkomen van 'muren gebonden door touwtjes' in superfluïde helium-3 gedocumenteerd. Het bestaan ​​van een dergelijk object, oorspronkelijk voorzien door kosmologietheoretici, kan helpen verklaren hoe het heelal afkoelde na de oerknal. Met de hernieuwde mogelijkheid om deze structuren in het laboratorium te recreëren, op aarde gebaseerde wetenschappers hebben eindelijk een manier om enkele van de mogelijke scenario's die in het vroege universum hebben plaatsgevonden, nader te bestuderen.

De bevindingen, wordt op 16 januari gepubliceerd in Natuurcommunicatie , kwam na twee opeenvolgende symmetrie-brekende faseovergangen in het lage temperatuur laboratorium van Aalto University.

Helium blijft vloeibaar bij atmosferische druk, zelfs als het wordt afgekoeld tot het absolute nulpunt, waarbij alle andere materialen vastvriezen. Niet alleen blijft helium vloeibaar bij cryogene temperaturen, maar het wordt een superfluïde bij een voldoende lage temperatuur. Een supervloeibaar materiaal heeft in wezen geen viscositeit, wat betekent dat het voor altijd zou moeten stromen zonder energie te verliezen.

Wanneer beperkt tot een nanogestructureerd volume, onderzoekers kunnen superfluïde fasen van de isotoop helium-3 gebruiken om effecten zoals half-kwantum vortices te bestuderen - draaikolken in de superfluïde waar de hoeveelheid helium die stroomt strikt wordt gecontroleerd door de regels van de kwantumfysica.

"We dachten aanvankelijk dat de half-kwantumwervels zouden verdwijnen als we de temperatuur verlagen. Het blijkt dat ze [half-kwantumwervels] daadwerkelijk overleven als het helium-3-monster wordt afgekoeld tot onder een halve millikelvin - in plaats daarvan verschijnt er een niet-topologische wand, " zegt Jere Mäkinen, hoofdauteur van de studie en promovendus aan de Aalto University.

Hoewel het geen fysieke muren zijn, die de stroom zou blokkeren, de niet-topologische wanden veranderen de magnetische eigenschappen van helium. De onderzoekers konden de veranderingen detecteren met behulp van nucleaire magnetische resonantie.

In de eerste paar microseconden na de oerknal, sommige kosmologen geloven dat het hele universum symmetriebrekende faseovergangen heeft ervaren, als een superfluïde in een nanogestructureerd volume terwijl het wordt gekoeld. De theorie gaat dat kwantumfluctuaties of topologische defecten, zoals domeinmuren en kwantumwervels, in het ultragecondenseerde heelal werden op hun plaats bevroren terwijl het heelal uitdijde. Na verloop van tijd werden deze bevroren schommelingen de sterrenstelsels die we zien, en woon in, vandaag. Door deze objecten in het laboratorium te kunnen maken, kunnen we misschien meer begrijpen over het universum en waarom het zich heeft gevormd zoals het is ontstaan.

Als bonus, de structuur van deze orkaanachtige defecten die Mäkinen in het laboratorium heeft gemaakt, biedt ook een potentieel model voor de studie van topologische kwantumcomputers.

"Hoewel vloeibaar helium-3 te hard en te duur zou zijn om te onderhouden als materiaal voor een werkende computer, het geeft ons een werkend model om fenomenen te bestuderen die kunnen worden gebruikt in meer toegankelijke toekomstige materialen, " hij zegt.

emeritus hoogleraar Grigori Volovik, co-auteur van de nieuwe studie, voorspelde voor het eerst half-kwantumwervelingen met V.P. Mineev in de jaren zeventig. Ze werden voor het eerst waargenomen in superfluïde helium, in het Aalto-laboratorium voor lage temperaturen, anno 2016.