Projekt nr 2017/26/E/ST3/00428

Badanie turbulencji kwantowej w układzie silnie skorelowanych fermionów

Kierownik projektu: Wlazłowski Gabriel

Wartość projektu: 1 894 600 PLN

Źródło finansowania: Projekty finansowane przez NCN - SONATA BIS

Czas realizacji: 26.09.2018 - 25.09.2022

Przepływy cieczy są zjawiskami, towarzyszącymi nam każdego dnia. Mogą one mieć charakter laminarny albo turbulentny. W niskich temperaturach, występowanie stanu nadciekłego (lub nadprzewodzącego) jest ogólną cechą większości układów fizycznych. Zastanawiano się nad tym czy istnieją również analogi przepływu laminarnego i turbulentnego w przypadku nadcieczy - cieczy, które mają zerową lepkość? Dziś wiemy, że odpowiedź na to pytanie jest twierdząca! Układy nadciekłe mogą podtrzymywać ruch obrotowy tylko w formie wirów kwantowych. Są to obiekty dla których cyrkulacja może przyjmować jedynie dyskretne wartości, będące wielokrotnością h m , gdzie h to stała Plancka a m to masa cząstek z których składa się ciecz. Z tego powodu wir kwantowy nie może powoli zmniejszać swojej cyrkulacji i w końcu przestać się kręcić (jak to dzieje się dla wirów w zwykłej cieczy) ale musi wirować bezustannie. Zazwyczaj wiry kwantowe układają się w regularne sieci. Taka sytuacja jest odpowiednikiem przepływu laminarnego, zobacz Rys. 1, który przedstawia zdjęcie sieci wirów kwantowych wytworzonej w kondensacie Bosego-Einsteina. W pewnych szczególnych warunkach wiry kwantowe mogą ulec “splątaniu”, przypominając strukturę podobną do spaghetti. Układ wykazuje wtedy dynamikę chaotyczną i mamy do czynienia z analogiem przepływu turbulentnego. “Rozplątywanie” się wirów kwantowych i ponowne powstanie regularnej sieci wirów odpowiada zaś zjawisku rozpadu stanu turbulentnego.

Znani fizycy, jak S. Weinberg i R. Feynman, uznali zjawisko turbulencji za jedno z największych nierozwiązanych problemów współczesnej nauki. Istotnie, zagadnienie jest bardzo złożone przez co równania opisujące to zjawisko są bardzo trudne do rozwiązania. Jednakże od czasów gdy Feynman próbował zmierzyć się z tym problemem sytuacja diametralnie się zmieniła. Dziś jesteśmy wyposażeni w nowe narzędzia badawcze. Z jednej strony są to techniki eksperymentalne, które pozwalają schładzać gazy atomowe do temperatur niemalże zera bezwzględnego i obserwować pojawiający się w nich stan nadciekły. Z drugiej są to superkomputery, dzięki którym możemy rozwiązywać bardzo skomplikowane równania matematyczne.

W ramach tego projektu wykorzystamy największe światowe systemy komputerowe i wykonamy symulacje numeryczne dzięki którym będziemy w stanie rzucić nowe światło na zjawisko turbulencji kwantowej. Po raz pierwszy zostanie wykorzystane w pełni mikroskopowe podejście, oparte o teorię funkcjonału gęstości, do zbadania stanu turbulencji kwantowej w ultra-zimnych gazach atomów fermionowych. Jest to obecnie najdokładniejsza metoda pozwalająca na symulowanie tego typu układów jakim dysponuje współczesna nauka. Jak to zwykle bywa, dokładność i precyzja, mają swoją cenę: metoda wymaga olbrzymich mocy obliczeniowych, które są w stanie dostarczyć jedynie największe superkomputery świata. Z tego powodu planowane badania będą pionierskie, zarówno z naukowego jak i technicznego punktu widzenia