Kleine Twister Wirbel um innen Tropfen von Helium

Im Inneren ein einzelnes Rad-förmigen Tröpfchen flüssiges Helium 2 Millionen Mal pro Sekunde drehen haben Wissenschaftler einen Sturm von Dutzenden von kleinen Tornados wirbeln herum entdeckt.

Die Tropfen des flüssigen Heliums gesponnen 100.000-Mal schneller als in jeder bisherigen Experimente. Das Raster der Quanten Tornados in die Tröpfchen interessante Informationen über die bizarre Art von "suprafluiden" flüssiges Helium und die Art der Quanten Drehung offenbaren könnte sagen das internationale Team von Wissenschaftlern an der Studie beteiligt.

"The Quest for Quantum Wirbel in suprafluiden Tröpfchen hat jahrzehntelang gestreckt" sagte Andrey Vilesov, Professor für Chemie an der University of Southern California, in einer Erklärung. "Aber dies ist das erste Mal gesehen sie in suprafluiden Tröpfchen." [Verdreht Physik: 7 mind-blowing Ergebnisse]

Ein suprafluiden Zustand passiert, wenn ein Stoff verhält sich wie eine Flüssigkeit mit Null Viskosität – ein Maß für die Dicke einer Flüssigkeit oder den Strömungswiderstand. Honig hat beispielsweise eine viel höhere Viskosität als Wasser. Die Partikel im suprafluiden Flüssigkeit verlieren alle Reibung und stattdessen im Einklang wie ein XXL Teilchen bewegen.

Die Tatsache, dass dies in einem suprafluiden geschieht deutet darauf hin, dass die Ergebnisse auf viel mehr verrückten Ideen auswirken können. "Es wird spekuliert, dass Studium Supraflüssigkeiten [Wissenschaftler] die Ursprünge des Universums verstehen helfen könnte," sagte Vilesov Leben Wissenschaft in einer e-Mail. "In den Momenten nach dem Urknall, war das Universum gleichmäßig in Dichte und ähnlich wie ein suprafluiden." Die Schaffung von Dichteschwankungen in Form von Quanten Wirbel möglicherweise was führte zu der frühen Bildung von Galaxien."

Die suprafluiden Zustand des flüssigen Heliums trotzt die Gesetzen der klassischen Physik und stattdessen tritt die verrückten Welt der Quantenmechanik, wo nicht einmal alle Physiker über seine Regeln stimmen. Quantenverhalten gilt in der Regel nur für Elementarteilchen wie Elektronen und Neutrinos, aber flüssiges Helium ist einer der wenigen größeren Umgebungen, die Quanten Verhalten, und Wissenschaftler haben eine einfachere Zeit Quantenmechanik bei der Arbeit zu beobachten.

Helium kann nur in flüssiger Form an über minus 452 Grad Fahrenheit (minus 269 Grad Celsius) vorhanden sein. Sobald die flüssige Helium, fast absoluten Nullpunkt auf der Kelvin-Skala gekühlt wird (über minus 460 F oder minus 273 ° C), wird das Material einer suprafluiden. Im Inneren der suprafluiden die Atome des flüssigen Heliums ständig vibrieren, und dieses Perpetuum Mobile macht es unmöglich für Atome zu frieren. Das Ergebnis ist, dass die gekühlten Heliumatome in flüssiger Form bleiben. Die einzigartigen Eigenschaften des resultierenden suprafluiden lassen sie kriechen herauf die Seiten von Containern und sickern durch mikroskopisch kleine Löcher, laut NASA Website.

Teensy Tornados

Wissenschaftler hatten bereits mehrere Tornados drehen um in Eimern von flüssigem Helium, aber nie in solchen winzigen Tröpfchen, wo die Tornados waren 100.000 Mal so dicht gepackt, in, beobachtet. Die Ergebnisse zeigen, dass jedes einzelnen Tropfens als eigene separate Quanten-Objekt handelt.

Im ersten Experiment Forscher einen Strom von flüssigem Helium in einem Vakuum geschossen. Die Düse des Jets wurde um 10 Kelvin (minus 478 F oder minus 283 ° C) abgekühlt. Jedes mikroskopisch kleinen Tröpfchen gefeuert, erreichte eine Geschwindigkeit von fast 447 km/h (720 km/h) und begann, bis zu 2 Millionen Mal pro Sekunde dreht.

Wissenschaftler konnten nicht genau zu beobachten, einzelne Tröpfchen mit solchen halsbrecherischer Geschwindigkeit bewegen – bis jetzt. Die Forscher verwendeten ersten Röntgen-freie-Elektronen-Laser der Welt am SLAC National Accelerator Laboratory Linac kohärente Lichtquelle Anlage auf dem US-Department of Energy Office of Science um zu bespitzeln, die Quanten-Tornados. Der Laser sendet Impulse von Lichtteilchen, von denen jeder nur zehn-Trillionths einer Sekunde dauert. Licht aus dem ultraschnellen Laser aus dem Tropfen gebeugt und Muster in einzelne Tröpfchen offenbart, wie sie vorbei flog.

Die winzigen Twisters tobt innerhalb jedes Tröpfchen sind für die Elektron-freie Laser tatsächlich unsichtbar. Die Forscher hatten die flüssiges Helium, ein klares Bild von den Tornados bekommen Xenon-Atomen hinzu. Die Kräfte innerhalb jeder Tropfen der Xenon-Atomen in wirbelnden Spalten gezogen. [Blendend Tröpfchen: Fotos zeigen Mini-Welten]

"Es ist ähnlich wie bei den Stecker zu ziehen, in einer Badewanne und beobachten die Kinder Spielzeug in den Strudel zu sammeln", sagte Oliver Gessner, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Chemie am Lawrence Berkeley National Lab, in der Erklärung.

Die Xenon-Atomen sind besser auf dem Röntgenlicht als die umliegenden Helium Interferenzgitters, und die resultierenden Bilder aus dem gebeugten Licht offenbart die Cluster von dunkler kleine Tornados genannt "Quantum Wirbel." Die Tornado-Kerne sind nur über die Breite eines Atoms. Die Bilder zeigten eine 3D Raster von gleichmäßig verteilten Tornados.

"Wir waren überrascht, dass viele Wirbel zu sehen", sagte Vilesov Leben Wissenschaft. "Zunächst, als wir zum Röntgen Strahl Mal angewendet, dachten wir, dass möglicherweise einige Tröpfchen mit mindestens einem einzigen Vortex. Einige Kollegen waren noch nicht sicher."

Rad-förmigen Tröpfchen

Das resultierende Muster von kleinen Twister war nicht die einzige Überraschung für die Forscher. Die Laserbilder zeigte, dass rund 40 Prozent der Tröpfchen nicht kugelförmig wie normale Tröpfchen.

Wenn Tropfen des normalen flüssigen Spin, die schnell, zwingt sie in peanutlike Formen verzerren können. Aber flüssiges Helium Tropfen nahm eine verschiedene Form: die Hochs und Tiefs der Tröpfchen abgeflacht, und ihre Zentren ausgebaut. Die seltsamen Rad-förmigen Tröpfchen drehte sich schneller als jede flüssiges Helium jemals beobachtet.

"Nun, wir gezeigt haben, dass wir erkennen und Quanten-Rotation in Helium Nanodroplets charakterisieren, es wird wichtig sein, seinen Ursprung zu verstehen und letztendlich auch zu versuchen, es zu kontrollieren" Gessner sagte in der Erklärung.

Details der Studie sind in der Aug. 22 Ausgabe der Zeitschrift Science veröffentlicht.

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