Main Page » News »

Dwie nowe prace naszych badaczy w Physical Review Letters

Grafika: układ numeryczny do badania zderzeń wirów kwantowych.

Układ numeryczny do badania zderzeń wirów kwantowych (dot. artykułu Dissipative Dynamics of Quantum Vortices in Fermionic Superfluid)

Artykuły autorstwa badaczy z grupy teorii jądra atomowego dotyczące gazów atomowych schłodzonych do temperatur bliskich zera bezwzględnego (rzędu nanokelwinów) ukazały się w prestiżowym czasopiśmie Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego.

W szkole uczymy się, że nadciecze, czyli ciecze w stanie nadciekłym, nie wykazują żadnej lepkości. Okazuje się, że istnieją jednak mechanizmy odpowiedzialne za rozpraszanie energii przepływu nadcieczy. W opracowaniu Dissipation Mechanisms in Fermionic Josephson Junction autorzy analizowali przepływ nadciekły w tzw. złączu Josephsona — układzie dwóch nadciekłych „chmur” atomowych połączonych ze sobą tak, że atomy mogą przepływać z jednej chmury do drugiej dzięki zjawisku kwantowemu zwanemu tunelowaniem. Dotychczasowe badania eksperymentalne wskazywały, że w trakcie przepływu energia jest rozpraszana. Autorzy wyjaśnili, że straty energii mogą powstawać wskutek dwóch konkurujących mechanizmów — tworzenia się wirów kwantowych lub niszczenia par Coopera (par atomów tworzących się na skutek oddziaływań międzyatomowych w nadcieczy). Autorzy wykazali, że dla słabych oddziaływań dominujący mechanizm to rozrywanie par Coopera, a dla silnych — tworzenie się wirów kwantowych. Należy podkreślić, że złącze Josephsona jest często wykorzystywane jako qubit w komputerach kwantowych, a same schłodzone gazy atomowe są podstawą rodzącej się nowej dziedziny: atomtroniki.

W artykule Dissipative Dynamics of Quantum Vortices in Fermionic Superfluid autorzy zbadali ruch wirów kwantowych w nadciekłej chmurze atomowej. Wiry kwantowe są rodzajem defektu topologicznego, czyli nie mogą samoistnie zniknąć jak normalne wiry w cieczach. Ich własności leżą u podstaw turbulencji kwantowej, jednego z najbardziej intrygujących zjawisk kwantowych. Autorzy pracy, zainspirowani niedawnym eksperymentem opisanym w Nature [Nature (London) 600, 64 (2021)], przeprowadzili symulacje mikroskopowe, które rzucają nowe światło na mechanizm dyssypacji energii podczas przyspieszonego ruchu wirów w superpłynach. Wielkość strat energii wirów została zmierzona eksperymentalnie w układzie, w którym dwie pary wirów zderzyły się i gwałtownie zmieniły kierunek ruchu. Autorzy z Wydziału Fizyki PW wykazali, że zderzenie powoduje podgrzanie gazu quasi-cząstek wewnątrz rdzenia wiru, które wyparowują i w rezultacie część energii wiru jest rozpraszana do ośrodka. Oznacza to, że nawet w temperaturze zera bezwzględnego wiry poruszające się z przyspieszeniem będą rozpraszać energię. Te same symulacje pokazują jednak, że w niezerowej temperaturze dominującym mechanizmem dyssypacji energii jest sprzężenie wirów ze składową termiczną cieczy.

W badaniach wykorzystano teorię nadprzewodnictwa oraz teorię funkcjonału gęstości. Co ciekawe, grupa teorii jądra atomowego (Zakład Fizyki Jądrowej) stworzyła pionierskie oprogramowanie pozwalające na rozwiązywanie skomplikowanych równań matematycznych stojących za tymi teoriami (są to układy setek tysięcy nieliniowych równań różniczkowych). Dzięki nim jest możliwe efektywne wykorzystanie tzw. superkomputerów i osiągnięcie możliwości obliczeniowych niedostępnych dla większości badaczy.

Więcej informacji:

Physical Review Letters