Als een druppel creamer van een lepel in een kolkende kop koffie valt, de draaikolk sleept de druppel in rotatie. Maar wat zou er gebeuren als de koffie geen wrijving had - geen manier om de druppel in een gesynchroniseerde draai te trekken?

Superfluïden - ook wel kwantumvloeistoffen genoemd - komen voor in een breed scala aan systemen en toepassingen. Bijvoorbeeld, kosmologische supervloeistoffen versmelten met elkaar tijdens fusies van neutronensterren, en wetenschappers gebruiken supervloeibaar helium om machines voor magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) te koelen.

De vloeistoffen hebben unieke en nuttige eigenschappen die worden bepaald door de kwantummechanica - een raamwerk dat gewoonlijk wordt gebruikt om het rijk van het zeer kleine te beschrijven. Voor supervloeistoffen, echter, deze kwantummechanische eigenschappen domineren op een grotere, macroscopische schaal. Bijvoorbeeld, supervloeistoffen missen viscositeit, een soort interne wrijving waardoor de vloeistof weerstand kan bieden en beweging kan veroorzaken.

Dit gebrek aan viscositeit geeft de vloeistoffen ongebruikelijke eigenschappen, zoals vrij door leidingen reizen zonder energieverlies of stil blijven zitten in een draaiende container. Maar als het gaat om roterende beweging, wetenschappers worstelen om te begrijpen hoe roterende superfluïden impulsmoment overbrengen - een kwaliteit die spreekt over hoe snel de vloeistoffen zullen draaien.

In een recente studie, wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) werkten samen met wetenschappers van het National High Magnetic Field Laboratory (MagLab) in Tallahassee, Florida, en de Osaka City University in Japan om geavanceerde computersimulaties uit te voeren van het samenvoegen van roterende superfluïden, onthullend een eigenaardig kurkentrekker-vormig mechanisme dat de vloeistoffen in rotatie drijft zonder de noodzaak van viscositeit.

Wanneer een draaiende regendruppel in een vijver valt, viscositeit stelt de druppel in staat om het omringende water in rotatie te brengen, het genereren van wervels of wervelstromen in het proces. Deze stroperige weerstand vermindert het verschil in beweging tussen de twee lichamen. Een supervloeibare, echter, laat dit verschil toe.

"De atomen blijven ongeveer op dezelfde plaats wanneer superfluïden impulsmoment overbrengen, in tegenstelling tot wervelstromen in klassieke vloeistoffen, " zei Dafei Jin, een wetenschapper bij Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. "In plaats van door de convectie van deeltjes, het is efficiënter voor superfluïde atomen om impulsmoment over te dragen via kwantummechanische interacties."

Deze kwantummechanische interacties geven aanleiding tot een betoverend effect, tentoongesteld in de simulaties van het team die zijn uitgevoerd met behulp van het Carbon-computercluster bij CNM. De wetenschappers simuleerden het samensmelten van roterende en stationaire druppels van een superfluïde toestand van materie, een Bose-Einstein-condensaat (BEC).

"We hebben ervoor gekozen om Bose-Einstein-condensaten te simuleren omdat het relatief algemene superfluïde systemen zijn die kenmerken vertonen die worden gedeeld door verschillende andere kwantumvloeistoffen, " zei Wei Guo, een professor aan de Florida State University (FSU) en een onderzoeker aan het MagLab.

Toshiaki Kanai, een afgestudeerde student van Guo in de FSU's Natuurkunde-afdeling, leidde het ontwerp van de simulaties, die de interactie tussen twee BEC-druppels modelleren vanaf het moment dat ze met elkaar in contact komen totdat ze volledig samensmelten. Tsubota Makoto, een professor aan de Osaka City University en expert in kwantumvloeistofsimulatie, droeg ook bij aan het projectontwerp en de interpretatie van de resultaten.

"We waren bijzonder gelukkig om met Dafei Jin bij CNM samen te werken, die ons hielp bij het oplossen van vele technische uitdagingen, " zei Guo, een oude medewerker van Jin, "en Argonne heeft computerclusters en andere rekenbronnen waarmee we de simulatie vele malen onder verschillende omstandigheden efficiënt konden uitvoeren om systematische resultaten te verkrijgen."

Terwijl de druppels dicht bij elkaar komen, de kurkentrekkervorm verschijnt spontaan en breidt zich uit in beide druppels, groeien in grootte en invloed totdat de twee druppels worden gemengd en met dezelfde snelheid roteren.

"Het ziet er niet alleen uit als een kurkentrekker - de functionaliteit is vergelijkbaar, te, " zei Jin. "Het brengt impulsmoment over door in de monsters te draaien, waardoor ze hun rotatie versnellen of vertragen."

Het simulatieresultaat is van toepassing op veel BEC-laboratoriumsystemen van verschillende groottes, van tientallen nanometers tot honderden microns - of miljoenste meters. De resultaten gelden ook voor grotere superfluïde systemen. Ondanks verschillen in schaal vertonen alle superfluïde systemen gemeenschappelijke fundamentele eigenschappen die verband houden met hun kwantumkarakter.

"Hoewel we ons concentreerden op een heel klein systeem, de resultaten zijn algemeen, "Zei Guo. "Het inzicht dat we hebben verkregen in hoe deze interacties plaatsvinden, kan natuurkundigen helpen bij het informeren van modellen van systemen van ultrakoude atomen op nanoschaal tot supervloeistoffen op kosmologische schaal in astrofysische systemen."

Bijvoorbeeld, supervloeibaar helium kan voorkomen op centimeter- en meterschalen, en BEC's in neutronensterren kunnen zijn, goed, astronomisch groot. Als neutronensterren samensmelten, ze fungeren als twee zeer grote, roterende superfluïde druppels in sommige opzichten, en de ontdekking van het kurkentrekkermechanisme zou astrofysische modellen van deze fusies kunnen informeren.

De wetenschappers hopen hun theoretische ontdekking van het kurkentrekkermechanisme door middel van experimenten te testen. Quantumvloeistoffen hebben implementaties in koude atoomsystemen, supervloeistoffen, supergeleiders en meer, en fundamenteel wetenschappelijk onderzoek naar hun gedrag zal helpen bij de ontwikkeling van toepassingen van deze systemen.