Een internationale samenwerking van wetenschappers heeft een geheel nieuwe klasse van draaikolken gecreëerd en waargenomen:de wervelende massa's vloeistof of lucht.

Onder leiding van onderzoekers van Amherst College in de VS en de University of East Anglia en Lancaster University in het VK, beschrijft hun nieuwe paper de eerste laboratoriumstudies van deze "exotische" draaikolken in een ultrakoud gas van atomen bij temperaturen zo laag als tientallen miljardsten van een graad boven het absolute nulpunt.

De ontdekking, deze week aangekondigd in het tijdschrift Nature Communications , kan opwindende toekomstige implicaties hebben voor implementaties van kwantuminformatie en computergebruik.

Wervels zijn bekende objecten in de natuur, van de draaikolken van water door een badkuipafvoer tot de luchtstroom rond een orkaan.

In kwantummechanische systemen, zoals een atomair Bose-Einstein-condensaat, zijn de wervels meestal klein en komt hun circulatie in discrete, gekwantiseerde eenheden. Dergelijke wervels zijn lange tijd een fascinatie geweest voor natuurkundigen en hebben geholpen om de ongebruikelijke eigenschappen van superfluïditeit en supergeleiding te verlichten.

De ongebruikelijke aard van de waargenomen draaikolken hier is echter te wijten aan symmetrieën in het kwantumgas. Een bijzonder fascinerende eigenschap van natuurkundige theorieën, van kosmologie tot elementaire deeltjes, is het verschijnen van asymmetrische werelden ondanks perfecte onderliggende symmetrieën. Wanneer water bijvoorbeeld bevriest tot ijs, rangschikken ongeordende moleculen in een vloeistof zichzelf in een periodieke reeks.

De ruimtelijke symmetrie van een systeem is vaak gemakkelijk te herkennen - een honingraat heeft bijvoorbeeld een periodieke reeks cellen met hexagonale symmetrie. Hoewel het vortexmedium dat in dit nieuwe werk wordt gebruikt een vloeistof is in plaats van een vaste reeks, bezit het ook een interne reeks verborgen discrete symmetrieën. Een van de ultrakoude gassen van het team had bijvoorbeeld de viervoudige symmetrie van een vierkant en een ander had de tetraëdrische symmetrie van een vierzijdige dobbelsteen, die spelers van fantasiespellen overal kennen.

"De massastroom en de onderliggende symmetrie van de vloeistof werken op interessante manieren met elkaar samen", zegt Dr. Magnus Borgh, universitair hoofddocent natuurkunde aan de UEA.

"Een gevolg is dat als de posities van twee wervels worden verwisseld, ze een spoor van het proces kunnen achterlaten dat in de vloeistof blijft hangen. Dit spoor verbindt de op elkaar inwerkende wervels permanent met elkaar, als een sport in een ladder."

"Geen gewone vloeistoffen gedragen zich zo, en het kan zijn dat analoge objecten alleen diep in neutronensterren bestaan", voegde prof. Janne Ruostekoski van de Lancaster University eraan toe. Het team zegt inderdaad dat deze gecreëerde draaikolken verder gaan dan de allernieuwste.

"Het zijn deels deze connecties met de vreemdere domeinen van de natuurkunde die ons werk aantrekkelijk maken", zegt prof. David Hall van Amherst College. "En deels is het onze menselijke waardering voor symmetrie."

Het rechtstreeks observeren van dit gedrag is de focus geworden van het onderzoek van het team, waarvan het experimentele deel is gebaseerd op Amherst College.

"We hebben het geluk dat we buitengewoon getalenteerde en toegewijde studenten hebben die dit soort uitdagende experimenten kunnen doen", zei prof. Hall, met name Arthur Xiao, de hoofdauteur van het onderzoek. + Verder verkennen

Onderzoekers ontwikkelen nieuw type camera om voor het eerst kwantumwervels in beeld te brengen