Iedereen die een badkuip heeft leeggepompt of room in koffie heeft geroerd, heeft een draaikolk gezien, een alomtegenwoordige formatie die verschijnt wanneer vloeistof circuleert. Maar in tegenstelling tot water, vloeistoffen die worden beheerst door de vreemde regels van de kwantummechanica hebben een speciale beperking:zoals voor het eerst werd voorspeld in 1945 door de toekomstige Nobelprijswinnaar Lars Onsager, een vortex in een kwantumvloeistof kan alleen verdraaien met eenheden van gehele getallen.

Er wordt voorspeld dat deze roterende structuren op grote schaal nuttig zullen zijn voor het bestuderen van alles, van kwantumsystemen tot zwarte gaten. Maar terwijl de kleinst mogelijke kwantumvortex, met een enkele rotatie-eenheid, is in veel systemen gezien, grotere wervels zijn niet stabiel. Terwijl wetenschappers hebben geprobeerd grotere draaikolken te dwingen om zichzelf bij elkaar te houden, de resultaten zijn gemengd:wanneer de wervels zijn gevormd, de ernst van de gebruikte methoden hebben hun bruikbaarheid over het algemeen vernietigd.

Nutsvoorzieningen, Samuel Alperin en professor Natalia Berloff van de Universiteit van Cambridge hebben een theoretisch mechanisme ontdekt waardoor gigantische kwantumwervels niet alleen stabiel zijn, maar zichzelf vormen in overigens vrijwel uniforme vloeistoffen. De bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift optiek , zou de weg kunnen banen voor experimenten die inzicht kunnen geven in de aard van roterende zwarte gaten die overeenkomsten hebben met gigantische kwantumwervels.

Om dit te doen, gebruikten de onderzoekers een kwantumhybride van licht en materie, een polariton genoemd. Deze deeltjes worden gevormd door laserlicht op speciaal gelaagde materialen te schijnen. "Als het licht vast komt te zitten in de lagen, het licht en de materie worden onafscheidelijk, en het wordt praktischer om de resulterende substantie te zien als iets dat verschilt van licht of materie, terwijl ze de eigenschappen van beide erven, " zei Alperin, een doctoraat student aan Cambridge's Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics.

Een van de belangrijkste eigenschappen van polaritons komt van het simpele feit dat licht niet voor altijd kan worden opgesloten. Een vloeistof van polaritonen, die een hoge dichtheid van de exotische deeltjes vereist, verdrijft voortdurend licht, en moet worden gevoed met vers licht van de laser om te overleven. "Het resultaat, " zei Alperin, "is een vloeistof die nooit mag bezinken, en die niet hoeft te gehoorzamen aan wat gewoonlijk basisbeperkingen zijn in de natuurkunde, zoals het behoud van energie. Hier kan de energie veranderen als onderdeel van de dynamiek van de vloeistof."

Het waren precies deze constante stromen van vloeibaar licht die de onderzoekers gebruikten om de ongrijpbare gigantische vortex te laten ontstaan. In plaats van de laser op de polaritonvloeistof zelf te laten schijnen, het nieuwe voorstel heeft het licht in de vorm van een ring, waardoor een constante binnenwaartse stroom wordt veroorzaakt, vergelijkbaar met hoe water naar een badkuipafvoer stroomt. Volgens de theorie, deze stroom is voldoende om elke rotatie in een enkele gigantische draaikolk te concentreren.

"Dat de gigantische vortex echt kan bestaan ​​​​onder omstandigheden die geschikt zijn voor hun studie en technisch gebruik, was behoorlijk verrassend, "Alperin zei, "maar het laat echt zien hoe volkomen verschillend de hydrodynamica van polaritonen is van meer goed bestudeerde kwantumvloeistoffen. Het is een opwindend gebied."

De onderzoekers zeggen dat ze nog maar aan het begin staan ​​van hun werk aan gigantische kwantumwervels. Ze waren in staat de botsing van verschillende kwantumwervels te simuleren terwijl ze met steeds toenemende snelheid om elkaar heen dansen totdat ze botsen om een ​​enkele gigantische draaikolk te vormen, analoog aan de botsing van zwarte gaten. Ze legden ook de instabiliteiten uit die de maximale vortexgrootte beperken tijdens het verkennen van de ingewikkelde fysica van het vortexgedrag.

"Deze structuren hebben een aantal interessante akoestische eigenschappen:ze hebben akoestische resonanties die afhankelijk zijn van hun rotatie, dus zingen ze informatie over zichzelf, "zei Alperin. "Wiskundig gezien, het is vrij analoog aan de manier waarop roterende zwarte gaten informatie uitstralen over hun eigen eigenschappen."

De onderzoekers hopen dat de gelijkenis kan leiden tot nieuwe inzichten in de theorie van kwantumvloeistofdynamica, maar ze zeggen ook dat polaritonen een handig hulpmiddel kunnen zijn om het gedrag van zwarte gaten te bestuderen.