W ujęciu klasycznym płyn nadciekły opisuje się modelem dwuskładnikowym, zaproponowanym przez Lwa Landaua. Zakłada on współistnienie komponentu nadciekłego (o zerowej entropii i lepkości) oraz komponentu normalnego, niosącego wzbudzenia termiczne. Podczas gdy komponent nadciekły przepływa bezoporowo, jego rotacja nie odbywa się w sposób ciągły, lecz poprzez tworzenie kwantowych wirów – linii o zerowej gęstości, wokół których cyrkulacja jest ściśle skwantowana.
Problem pojawia się, gdy układ znajduje się w temperaturze niezerowej. Wówczas ruchome wiry kwantowe zderzają się z kwazicząstkami tworzącymi komponent normalny. To oddziaływanie prowadzi do transferu pędu i energii, co w literaturze fachowej określa się mianem tarcia wzajemnego (mutual friction).
Metodologia: TDDFT i superkomputerowe symulacje ab initio
Wyznaczenie współczynników tarcia wzajemnego (B oraz B′) było dotychczas niezwykle trudne ze względu na ogromną rozpiętość skal – od nanometrowych jąder wirów po makroskopowe przepływy. Warszawscy fizycy przełamali tę barierę, stosując zależną od czasu teorię funkcjonału gęstości (TDDFT). Pozwala ona na symulowanie układu z uwzględnieniem oddziaływań wielociałowych na poziomie kwantowym bez upraszczających założeń fenomenologicznych.
Czytaj także: Czym są wiry kwantowe? Wreszcie możemy to zobaczyć
Realizacja projektu wymagała ogromnej mocy obliczeniowej. Badania przeprowadzono na najpotężniejszych europejskich superkomputerach, w tym na szwajcarskim systemie Piz Daint oraz fińskim LUMI (jednym z najszybszych komputerów świata w architekturze EuroHPC). Dzięki temu udało się wymodelować dynamiczne zachowanie tysięcy cząstek i zaobserwować, jak pojedynczy wir reaguje na przepływ komponentu normalnego, co pozwoliło na bezpośrednie wyliczenie parametrów dyssypacji.
Implikacje: Od glitchy pulsarów po turbulencję kwantową
Wyniki uzyskane przez zespół z PW mają fundamentalne znaczenie dla astrofizyki wysokich energii. Jednym z najbardziej zagadkowych zjawisk obserwowanych w pulsarach (szybko rotujących gwiazdach neutronowych) są tzw. „glitche” – nagłe skoki prędkości obrotowej gwiazdy. Powszechnie uważa się, że za to zjawisko odpowiada gwałtowne odczepienie się i przemieszczenie milionów wirów kwantowych uwięzionych w nadciekłym wnętrzu gwiazdy. Precyzyjne wartości współczynników tarcia wzajemnego są niezbędne do stworzenia wiarygodnych modeli ewolucji rotacyjnej tych obiektów.
Czytaj także: Wiry kwantowe i symbol wikingów mają zaskakująco wiele wspólnego. Naukowcy wiedzą, jak to wykorzystać
W skali ziemskiej, badania te przyczyniają się do rozwoju teorii turbulencji kwantowej. W przeciwieństwie do turbulencji klasycznej, gdzie wiry mogą mieć dowolne rozmiary i energie, turbulencja kwantowa jest kaskadą identycznych, skwantowanych nici wirów. Zrozumienie, jak energia ulega rozproszeniu w takim układzie, jest kluczowe dla inżynierii systemów kriogenicznych oraz rozwoju nadprzewodzących magnesów wysokopolowych, gdzie stabilność stanu nadprzewodzącego jest ściśle powiązana z dynamiką zakotwiczonych wirów strumienia magnetycznego.
Warszawscy fizycy udowodnili, że zaawansowane symulacje numeryczne mogą pełnić rolę „wirtualnego laboratorium”, dostarczając danych tam, gdzie tradycyjne metody pomiarowe napotykają na bariery technologiczne.
