In een wetenschappelijke doorbraak is een specifieke vorm van chaos waargenomen die zich uitsluitend afspeelt in het quantumdomein. Terwijl klassieke turbulentie bekend is uit het dagelijks leven, zoals de wervelingen in een kop thee, volgt turbulentie op quantumniveau fundamenteel andere wetten. Volgens een verslag van newscientist.com vertonen quantumvloeistoffen bij een verstoring een opvallend gedrag waarbij dunne, draderige draaikolken ontstaan die in elkaar verstrengeld raken voordat het systeem stabiliseert. Dit fenomeen wordt aangeduid als 'ultraquantum' turbulentie.
De experimentele aanpak
Om dit proces zichtbaar te maken, heeft een onderzoeksteam onder leiding van Sebastian Morris van de Universiteit van Cambridge een complexe opstelling gebouwd. De basis van het experiment bestond uit duizenden kaliumatomen. Door middel van lasers en elektromagnetische velden werden deze atomen afgekoeld tot een temperatuur die zeer dicht bij het absolute nulpunt ligt, waardoor ze transformeerden in een ijl quantumgas.
De wetenschappers brachten deze atomen samen in een cilinder met een diameter van slechts enkele tientallen micrometers. Door de interacties en de energie binnen deze cilinder nauwkeurig te sturen, konden zij een verstoring teweegbrengen. Dit leidde tot de vorming van vortices, oftewel quantumdraaikolken, die de kern vormen van de geobserveerde turbulentie. Zoals beschreven door , is het vastleggen van deze structuren een enorme technische uitdaging.
Innovatieve visualisatietechniek
Een groot probleem bij het bestuderen van deze turbulentie is dat een standaardafbeelding van de gehele cilinder de complexe knopen en vervlechtingen van de draaikolken zou maskeren. De details zouden in een totaalbeeld simpelweg verloren gaan. Om dit op te lossen, ontwikkelden Morris en zijn team een methode waarbij een dunne laag laserlicht werd ingezet om slechts één specifieke dwarsdoorsnede van de cilinder te isoleren en te fotograferen.
Deze techniek stelde de onderzoekers in staat om de 'afdrukken' van de vortexlijnen te zien terwijl deze door de gefotografeerde laag bewogen. Sebastian Morris gaf aan dat de eerste beelden het bewijs leverden dat de waarneming was geslaagd; de zichtbare gaten in de beelden bevestigden namelijk de aanwezigheid van de quantumdraaikolken, een detail dat werd gerapporteerd door .
Betekenis voor de fysica
De succesvolle observatie van ultraquantum turbulentie heeft verstrekkende gevolgen voor de theoretische natuurkunde. Hoewel het experiment is uitgevoerd met kaliumatomen, is de overtuiging dat dit gedrag representatief is voor diverse exotische fenomenen in het universum. De principes die in dit laboratorium zijn waargenomen, zouden namelijk ook een rol kunnen spelen in de dynamiek van vloeibaar helium of in de interne processen van neutronensterren.
Door deze string-achtige wervelingen direct te kunnen observeren, verkrijgen wetenschappers een dieper inzicht in hoe energie wordt getransporteerd en afgevoerd in quantumvloeistoffen. Dit proces verschilt wezenlijk van de manier waarop energie zich gedraagt in klassieke vloeistoffen. De resultaten, zoals uiteengezet door , leggen een nieuwe basis voor het begrijpen van materie onder extreme omstandigheden.