Gdy zamieszamy wodę w szklance, zaczyna ona wirować. Po chwili jednak zwalnia z powodu tarcia i lepkości. Są jednak układy, w których opory te niemal znikają, a przepływ staje się idealny. Tak zachowuje się na przykład nadciekły hel, ale podobnie mogą zachowywać się inne gazy atomów schłodzone do ekstremalnie niskich temperatur. Fizycy nazywają taką substancję superpłynem. W takiej cieczy wiry to nie znane nam zawirowania, tylko obiekty o ściśle określonych własnościach – tzw. wiry kwantowe. Dzieje się tak, ponieważ w superpłynie krążenie wokół wiru jest skwantowane, tzn. wir niesie zawsze jeden kwant cyrkulacji o wartości wynikającej z mechaniki kwantowej. To właśnie wiry kwantowe stoją za wieloma zjawiskami w fizyce i astrofizyce: od strat energii w nadprzewodnikach po modele zachowania materii w gwiazdach neutronowych.

W realnym świecie nic nigdy nie jest idealne. Nawet w superpłynie, gdy temperatura nie jest równa zeru bezwzględnemu (-273,15 st.C), obok części nadpłynnej pojawia się też część normalna, czyli wzbudzenia cieplne. Kiedy wir porusza się względem tej części normalnej, pojawia się specyficzny rodzaj oporu zwany tarciem wzajemnym. Problem w tym, że w superpłynach, gdzie oddziaływania między atomami są bardzo silne, tarcie między wirem a cieplejszą, normalną częścią płynu jest tak subtelne, że trudno je uchwycić w pomiarach i jednoznacznie opisać.

Mimo to właśnie taki cel postawili sobie naukowcy z ośrodków badawczych we Włoszech, Niemczech i Polsce (Politechnika Warszawska). Chcieli zmierzyć ilościowo, jak wygląda tarcie wzajemne dla pojedynczego wiru w silnie oddziałującym superpłynie i co mówi ono o cząstkach uwięzionych w rdzeniu wiru. Swoje wyniki opublikowali w czasopiśmie Nature Communications.

Eksperyment wykonano na ultrazimnym gazie atomów litu-6, schłodzonym poniżej temperatury przejścia do superpłynności i uwięzionym w prawie dwuwymiarowej pułapce w kształcie dysku. Badacze przygotowali układ dwóch wirów: jeden z nich został umocowany w centrum, a drugi, o przeciwnym zwrocie puszczono swobodnie. Zgodnie z teorią ruch swobodnego wiru nie był chaotyczny, lecz krążył on wokół drugiego. Jego tor można było śledzić i dopasować do prostego modelu opisującego, jak tarcie zmienia idealny, kołowy ruch w spiralę.

Najważniejszym wynikiem jest wyznaczenie dwóch współczynników tarcia wzajemnego: jednego związanego z hamowaniem ruchu, czyli rozpraszaniem energii (wzdłużnego) i drugiego ze zmianą jego kierunku (reaktywnego). Autorzy pokazali, że oba współczynniki rosną, gdy temperatura zbliża się do granicy zaniku superpłynności. Co szczególnie ciekawe, współczynnik reaktywny pozostaje wyraźnie niezerowy w całym badanym zakresie temperatur. To odróżnia badany układ od wielu wcześniejszych doświadczeń na innych typach superpłynów, gdzie ten boczny składnik tarcia był zwykle bardzo mały.

Następnie fizycy obliczyli tzw. kąt Halla wiru. To pojęcie jest analogią do dobrze znanego efektu Halla w metalu. Tam prąd elektryczny odchyla się poprzecznie pod wpływem pola magnetycznego, a tu wir odchyla się względem kierunku, w którym powinien płynąć razem z superpłynem. Mierząc ten kąt, badacze szacują jak szybko zanika mikroskopowy chaos w samym jądrze zawirowania (czas relaksacji). Rdzeń wiru w silnie oddziałującym superpłynie nie jest bowiem pusty. Mogą w nim istnieć lokalne stany kwazicząstek (tzw. stany Andreeva/CdGM), a ich zachowanie decyduje o tym, jak wir traci energię.

Naukowcy porównali też wyniki z symulacjami numerycznymi oraz z klasycznym modelem analitycznym opracowanym pierwotnie dla nadciekłego helu-3. Zgodność jest dobra, co sugeruje, że nawet w silnie oddziałującym superpłynie główny mechanizm tarcia wciąż mocno wiąże się z tym, co dzieje się wewnątrz rdzenia wiru i tym, jak lokalne stany rozpraszają się na wzbudzeniach cieplnych.

Osiągnięte wyniki są krokiem w kierunku zrozumienia właściwości materiałów, w których wiry są praktycznym problemem, na przykład nadprzewodników. Tam ruch wirów pola magnetycznego powoduje straty ograniczając zakres zastosowań. Choć ultrazimne atomy i nadprzewodniki to różne układy, wspólny język opisu pozwala testować podstawowe mechanizmy w warunkach dużo łatwiejszych niż w materiałach stałych, gdzie analizę komplikują zanieczyszczenia i defekty. Badacze wyznaczają też parametr, który jest wskaźnikiem tego, kiedy układ przechodzi od uporządkowanego ruchu do zjawisk przypominających turbulencje kwantowe. To z kolei ma znaczenie wszędzie tam, gdzie wiry rządzą transportem energii - od laboratoryjnych superpłynów po modele wnętrz gwiazd neutronowych. (PAP)

kmp/ agt/