Kitkaa siellä missä sitä ei pitänyt olla: äärimmäisen kylmissä supranesteissä

01.02.2018

Tutkijoiden löytämän ilmiön ymmärtäminen on ratkaisevaa muun muassa kvanttitietokoneiden suorituskyvyn parantamiseksi.

Kryostaatissa (vas.) pyörii helium-supranestettä absoluuttisessa nollapisteessä. Kaupan hyllyltä löydetty malli (oik.) havainnollistaa kryostaatin säiliön sisällä pyöriviä oikeita kvanttivortekseja. Oikeiden vorteksien pyörteen vahvuus on tasainen; mallissa paksuus vaihtelee. Kuva: Aalto-yliopisto/Tapio Reinekoski

Tieto kitkan synnyn syistä ja seurauksista avaisi monia avaruuden mysteereitä. Myös maan päällä Aalto-yliopiston tutkijoiden tulos on arvokas kaikille, jotka suunnittelevat kvantti-ilmiöihin ja suprajohteisiin perustuvaa teknologiaa. Lämmöntuotannon ja erilaisten pienten häiriöiden minimointi ovat ikuisia haasteita kvanttiteknologian kehittämisessä.

“Nyt havaitsemastamme kitkasta tarvitaan vielä paljon perustutkimusta, irrallaan kaikista sovelluksista, jotta tiedosta voi olla hyötyä teknologioiden suunnittelijoille”, muistuttaa kitkan kokeissaan havainnut Aalto-yliopiston tohtoriopiskelija Jere Mäkinen.

Mäkinen ja hänen ryhmänsä johtaja Vladimir Eltsov ovat pyörittäneet kokeessaan säiliötä, jonka sisällä on äärimmäisen lähelle absoluuttista nollapistettä jäähdytettyä helium-supranestettä. Pyörivä liike synnyttää heliumiin keskenään identtisiä pyörteitä, vortekseja.

Kun vorteksit pyörivät absoluuttisessa nollapisteessä omilla säännöllisillä liikeradoillaan – eli ovat laminaarissa liikeessä – niiden pitäisi jatkaa äärettömän kauan ilman minkäänlaisen kitkan ilmaantumista. Sellaista ei kukaan ole havainnutkaan – ennen Mäkisen ja Eltsovin kokeita.

“Mahdollinen selitys kitkalle voisi olla vorteksien ytimissä loukussa olevat kvasihiukkaset, jotka saavat vorteksin kiihtyvästä liikkeestä energiaa, joka taas siirtyy ympäröiviin hiukkasiin ja alkaa aiheuttaa kitkaa”, Mäkinen epäilee.

Mäkinen vertaa liike-energian hajautumista laatikolliseen pöytätennispalloja. Kun laatikkoa ravistaa ympäriinsä, pallot saavat energiaa sekä laatikon liikkeestä että törmäyksistä muihin palloihin. Jos laatikko taas liikkuisi tasaisesti tai paikallaan, pallot pysyisivät siistissä järjestyksessä – eivätkä ravistelun aiheuttamassa turbulentissa sekamelskassa – ja omilla liikeradoillaan törmäilemättä toisiinsa tai laatikkoon.

“Turbulenteissa järjestelmissä kvanttitason vorteksit kadottavat aina liike-energiaa, mutta tähän asti kaikki ovat ajatelleet, että laminaarissa liikkeessä, absoluuttisessa nollapisteessä, liike-energiaa ei häviä lainkaan. Nyt olemme osoittaneet uskomuksen vääräksi”, jatkaa Vladimir Eltsov.

Yksi keskeinen haaste kvanttitietokoneiden suunnittelussa on niiden peruspalikoista ”qubiteista” koottavien suprajohtavien komponenttien rajallinen suorituskyky. Informaation pitäisi säilyä niissä riittävän pitkään laskutoimitusten ja algoritmien suorittamiseen. Esimerkiksi juuri lämpötilan vaihtelut ja muut minimaalisetkin häiriöt tulisi ehkäistä, sillä ne estävät koko järjestelmän toiminnan.

Neutronitähti laboratoriossa – askel tuntemattomaan turbulenssiin

Kvanttipyörteiden ja turbulenssin tutkimuksen graalin malja on pystyä ymmärtämään ja selittämään jokapäiväistä, klassisen fysiikan lakien mukaista turbulenssia. Mäkisen ja Eltsovin työ raottaa supranesteiden vorteksien tuntemattomia ominaisuuksia.

Jos turbulenssia kyettäisiin selittämään ja mallintamaan, esimerkiksi aerodynamiikkaa lentokoneista autoihin voisi suunnitella täysin uusiksi. Myös esimerkiksi kaasujen ja öljyjen liikettä putkissa voisi hallita nykyistä tehokkaammin.

Universumin arvoitukset ovat myös läsnä Mäkisen ja Eltsovin työssä. Luhistuneiden, äärimmäisen raskaiden neutronitähtien uskotaan sisältävän komplekseja supranesteistä koostuvia järjestelmiä. Tähtien yllättävä ja ennakoimaton toiminta, kuten niiden pyörimisnopeuden äkilliset muutokset – ”glitchit” – voisivat johtua samanlaisista vorteksiryöpyistä ja liike-energian siirtymistä, joita Aalto-yliopiston kokeissa on nyt havaittu.

J. T. Mäkinen and V. B. Eltsov: ‘Mutual friction in superfluid 3He−B in the low-temperature regime’ Phys. Rev. B 97, 014527
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.97.014527
doi.org/10.1103/PhysRevB.97.014527

Lisätietoja:

Jere Mäkinen, Aalto-yliopisto
puh. 044 3675 125
jere.makinen@aalto.fi