Uutiset

Tutkijat pääsivät kvanttiturbulenssin jäljille - turbulenssin ymmärtämisestä voi olla apua niin sään ennustamisessa kuin autojen suunnittelussakin

Tutkijat ovat onnistuneet ensimmäistä kertaa osoittamaan energian katoamisen kvanttiturbulenssissa lähellä absoluuttista nollapistettä.
Lähikuva superpakastimesta eli kryostaatista
Tutkimuksessa hyödynnettiin ainutlaatuista pyörivää superpakastinta eli kryostaattia. Kuva: Mikko Raskinen / Aalto-yliopisto

Lentomatkustamisesta monille niin tuttu turbulenssi on todellisuudessa jopa fyysikoille äärimmäisen hankala ilmiö. Samat voimat, jotka heiluttavat lentokoneita ovat läsnä niin lasillisessa vettä kuin jopa atomia pienempien hiukkasten pyörteissäkin. Turbulenssia ei kuitenkaan voi tarkasti laskea tai mallintaa tietokoneilla – yksikään tietokone ei pysty käsittelemään vaadittavaa tietomäärää.

Nyt Aalto-yliopiston tutkijat ovat onnistuneet pääsemään lähemmäs turbulenssin ymmärtämistä tuoreella kvanttiturbulenssia selittävällä tutkimuksellaan, joka vahvisti ensimmäistä kertaa maailmassa teoreettisen mallin, joka selittää energian katoamista kvanttiturbulenssissa. Tutkimus julkaistiin äskettäin arvostetussa Nature Physics -lehdessä.

Turbulenssi tarkoittaa nesteen tai kaasun virtauksen nopeita suunnan tai nopeuden muutoksia. Tutkijat ympäri maailmaa ovat yrittäneet ymmärtää turbulenssia muun muassa supranesteiden avulla. Ne ovat aineita, jotka lämpötilan lähestyessä absoluuttista nollapistettä voivat virrata lähes kitkatta. Tämän seurauksena supraneste ei esimerkiksi pysy astiassa, vaan karkaa astian reunan yli.

Supranesteissä esiintyvän turbulenssin aiheuttavat äärimmäisen pienet, keskenään samanlaiset kvanttipyörteet. Tutkijoiden tavoitteena on ollut selvittää, miten turbulenssi supranesteissä syntyy näiden pyörteiden vuorovaikutuksista, ja miten ne kytkeytyvät supranesteen ominaisuuksiin suuremmilla pituusskaaloilla.

Aalto-yliopiston vanhemman tutkijan Vladimir Eltsovin johtama tutkimusryhmä tarkkaili turbulenssin esiintymistä supranesteessä, käyttäen helium-3-isotooppia. Ainetta käsiteltiin Aalto-yliopiston Kylmälaboratoriossa sijaitsevassa ainutlaatuisessa pyörivässä superpakastimessa eli kryostaatissa, joka kykenee jäähdyttämään näytteen yli miljoona kertaa huoneenlämpötilaa matalampiin lämpötiloihin. Kryostaatti on osa kansallista OtaNano-tutkimusinfrastruktuuria. Kokeessa niin sanotut Kelvin-aallot yksittäisissä kvanttipyörteissä työntävät energiaa yhä pienemmille ja pienemmille pituusskaaloille – aina siihen saakka, kunnes energia alkoi kadota pyörteistä lämpönä.

”Energian katoaminen kvanttipyörteistä äärimmäisen alhaisissa lämpötiloissa on ollut keskeinen ongelma kvanttiturbulenssin tutkimuksessa. Osoitimme ensimmäistä kertaa kokeellisesti Kelvin-aaltojen aiheuttaman energian katoamisen kvanttipyörteistä,” kertoo tutkimuksen pääkirjoittaja, tutkijatohtori Jere Mäkinen Aalto-yliopistosta.

Tulevaisuudessa turbulenssin parempi ymmärrys voi auttaa kaikkialla, missä nesteiden ja kaasujen, kuten veden ja ilman, liikkeen hallinta on olennaista.

”Tutkimuksemme turbulenssin pienimmillä rakennuspalikoilla voi avata tietä koko ilmiön laajempaan hyödyntämiseen. Klassisen turbulenssin paremmalla ymmärryksellä on valtavasti erilaisia käytännön mahdollisuuksia, esimerkiksi ajoneuvojen aerodynamiikan kehittämisessä, vesiputkien suunnittelussa tai vaikka sään ennustamisessa,” Mäkinen sanoo.

Seuraavaksi tutkimusryhmä aikoo päästä käsiksi yksittäiseen kvanttipyörteeseen supranesteeseen upotettujen vain millimetrin miljoonasosien kokoisten laitteiden avulla. Mäkisen mukaan vielä ei tiedetä mitä yksittäistä pyörrettä käsitellessä voi tapahtua.

Tutkimus Nature Physics -julkaisussa: https://www.nature.com/articles/s41567-023-01966-z

Lisätietoja:

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:

Lue lisää uutisia

pohjallinen pdp-gaalassa
Mediatiedotteet, Tutkimus ja taide, Opinnot Julkaistu:

Opiskelijaprojekti synnytti innovaation: Kengän sisäpohjat syntyvät muovin sijaan kompostoituvasta puuvaahdosta

Aalto-yliopiston opiskelijat kehittivät kestävän sisäpohjan prototyypin, joka taipuu, kestää kosteutta ja tuntuu pehmeältä ihoa vasten. Suomalainen kenkäyritys VIBAe lähtee syksyllä testaamaan materiaalia käyttäjillä.
Jar full of coins representing Unite! Seed Fund.
Yhteistyö, Tutkimus ja taide, Opinnot Julkaistu:

Hae Unite!-yliopistoallianssin siemenrahaa opetusyhteistyön edistämiseksi

Siemenrahalla edistetään vaihto-opintokokonaisuuksien luomista Unite-yliopistojen välillä. Allianssiin kuuluu Aallon lisäksi kahdeksan muuta eurooppalaista yliopistoa.
Timo Vuori
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Viisi asiaa, jotka johtajien on hyvä tietää tunteiden voimasta murroshetken päätöksenteossa

Tuotantotalouden laitoksen professori Timo Vuori tutkii radikaalien teknologisten- ja markkinamuutosten herättämiä voimakkaita tunteita yritysjohdossa sekä näiden vaikutusta strategiseen päätöksentekoon. Nyt hän kertoo, miten haitallinen ahdistus voidaan kääntää rakentavaksi energiaksi.
Esiintyjiä tapahtumassa
Mediatiedotteet Julkaistu:

Sustainability Science Days keräsi ennätysyleisön – ensi vuonna tapahtumassa puhkaistaan kestävyyskupla

Suomen suurin kestävän kehityksen tutkimuksen ja innovaatioiden tapahtuma keräsi yhteen yli 1500 asiantuntijaa yli sadasta eri maasta. Tapahtuma järjestettiin Aalto-yliopistolla ja Helsingin yliopistolla tänä vuonna yhteistyössä maailman suurimman kestävän kehityksen kongressin, SRI:n kanssa.