Пока, солитоныФизики Чикагского университета показали, что группа ученых ошиблась, когда пришла к выводу, что таинственный эффект, обнаруженный в сверхтекучих жидкостях, указывает на присутствие солитонов — экзотических уединенных волн. Вместо этого, объясняют они, результатом стало больше пешеходных, похожих на водовороты структур в жидкости. Они опубликовали свое объяснение в выпуске Physical Review Letters от 19 сентября.
Дебаты начались в июле 2013 года, когда группа ученых из Массачусетского технологического института опубликовала в журнале Nature результаты, показывающие долгоживущую структуру сверхтекучей жидкости — жидкости, охлаждаемой до тех пор, пока она не течет без трения. Исследователи создали структуру в сверхтекучей жидкости, состоящей из ультрахолодных атомов лития, поразив половину жидкости лазером, чтобы частицы лития находились в разных квантово-механических конфигурациях в двух половинах.Когда они изобразили результат, исследователи заметили темную линию, пересекающую сигарообразный объем сверхтекучей жидкости, указывая на область, где плотность частиц в жидкости была ниже.
Они пришли к выводу, что это был солитон, который ведет себя как редко заселенная стенка между двумя половинами жидкости, разделяющая частицы, находящиеся в двух разных состояниях. Эта стена существовала долгое время и колебалась взад и вперед по жидкости.Появление солитонной стенки было неожиданным выводом, поскольку не укладывалось в принятые теории о поведении таких систем.
«Если бы это была стена, это означало бы, что существует какая-то очень необычная физика, о которой теоретики не знали, поэтому она, конечно, привлекла огромное внимание», — сказал Питер Шерпельц, доктор физики и ведущий автор книги. бумага.Последующая сагаПоследовала научная сага, в которой несколько групп из разных учреждений пытались понять результат.
Но группа из Калифорнийского университета в Чикаго, возглавляемая профессором физики Кэтрин Левин, была первой, кто представил правильное объяснение.Группа Левина попыталась воспроизвести загадочный результат с помощью компьютерного моделирования сверхтекучей жидкости.
Группа разработала симуляцию благодаря сотрудничеству с Аргоннской национальной лабораторией. Тем временем другие группы тоже пробовали свои силы в симуляциях.
Некоторые пришли к выводу, что область более низкой плотности в жидкости является результатом не солитона, а вихревого кольца — закрученной структуры в форме пончика, вокруг которой циркулируют частицы. Дымовое кольцо — хорошо известный пример вихревого кольца.
Но группа Левина не смогла воспроизвести эти результаты в своей модели. Вместо этого они обнаружили, что вихревое кольцо на короткое время установилось, но быстро распалось до простой вихревой линии, похожей на торнадо или водоворот, растягивающийся по жидкости.Вскоре после того, как группа Левина разместила свои результаты на сервере препринтов arXiv, исследователи Массачусетского технологического института опубликовали свои новые результаты в препринте, объяснив, что то, что они видели, было простыми вихрями, подтверждая теорию УЧикаго.
«В каком-то смысле мы плыли вверх по течению, — сказал Левин. «Не слишком часто теория предвосхищает эксперимент, и не слишком часто теория достаточно смелая, чтобы сказать:« Погодите. Мы не согласны с тем, что происходит. Мы думаем, что это должно быть что-то еще ».Проблемы симметрии
Проблемы с более ранним моделированием сводились к симметрии. Подобно тому, как сигара выглядит так же, если вы вращаете ее вокруг своей длинной оси, другие команды предполагали в своих симуляциях, что поведение в жидкости было симметричным — приближение, которое облегчало сохранение таких структур, как кольца, но не учитывать недостатки, неизбежные в реальных экспериментах.Исходный эксперимент Массачусетского технологического института также предполагал неправильную симметрию, чтобы прийти к первоначальному выводу.
Они измерили только двухмерную проекцию своего эксперимента, а это означало, что они не могли различить три возможные структуры, потому что кольцо или стена, если смотреть сбоку, выглядят как линия. Группа MIT ошибочно предположила, что элемент был симметричным и что он прорезал всю сигару, образуя солитонную стенку.
Физиков заинтриговала физика сверхтекучих жидкостей отчасти потому, что они связаны со сверхпроводниками, которые имеют множество технологических применений из-за их способности проводить электричество без какого-либо сопротивления. Однако сверхтекучие жидкости часто легче изучать.
Материалы настолько похожи, что код моделирования, используемый группой, изначально был разработан для сверхпроводников и модифицирован для сверхтекучих жидкостей.Еще одна причина, по которой физики хотят понять эту систему, состоит в том, чтобы изучать физику вне равновесия, когда материал не достигает сбалансированного комфортного состояния. После воздействия лазера на сверхтекучую жидкость половина атомов находится в другом состоянии, чем другая половина, и они хотят вернуться в то же состояние.
Вихри образуются по мере движения сверхтекучей жидкости к равновесию.«Все, что мы знаем о физике, как бы ограничено равновесием, и мы очень стараемся проверить себя и узнать, что происходит вне равновесия, потому что это большая часть реального мира», — сказал Левин.