Quantenstrukturen in supergekühltem Helium können die frühen Tage des Universums widerspiegeln

Ein Weg, um mögliche Bedingungen des frühen Universums hier auf der Erde wiederherzustellen

18.01.2019 - Finnland

Zum ersten Mal haben die Forscher das seit langem vorhergesagte Auftreten von "durch Schnüre gebundenen Wänden" in suprafluidem Helium-3 dokumentiert. Die Existenz eines solchen Objekts, das ursprünglich von Kosmologietheoretikern vorgesehen war, kann helfen zu erklären, wie sich das Universum nach dem Urknall abgekühlt hat. Mit der neu entdeckten Fähigkeit, diese Strukturen im Labor nachzubilden, haben erdgebundene Wissenschaftler endlich die Möglichkeit, einige der möglichen Szenarien, die im frühen Universum stattgefunden haben könnten, genauer zu untersuchen.

Die Ergebnisse stammen aus zwei aufeinander folgenden symmetriebrechenden Phasenübergängen im Niedertemperaturlabor der Aalto University.

Helium bleibt bei Atmosphärendruck flüssig, auch wenn es auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt wird, bei dem alle anderen Materialien den Feststoff einfrieren. Helium bleibt nicht nur bei kryogenen Temperaturen flüssig, sondern wird auch bei ausreichend niedriger Temperatur zu einem Supraleiter. Ein supraflüssiges Material hat im Wesentlichen keine Viskosität, was bedeutet, dass es für immer fließen sollte, ohne Energie zu verlieren.

Für Quanten ist es nie zu kalt

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Beschränkt auf ein nanostrukturiertes Volumen können Forscher suprafluide Phasen des Isotops Helium-3 nutzen, um Effekte wie Halbquantenwirbel--whirlpools im Suprafluid zu untersuchen, bei denen die Menge des fließenden Heliums streng nach den Regeln der Quantenphysik gesteuert wird.

Wir dachten zunächst, dass die Halbquantenwirbel verschwinden würden, wenn wir die Temperatur senken. Es stellt sich heraus, dass sie tatsächlich überleben, da die Helium-3-Probe unter ein halbes Millikelvin abgekühlt wird - stattdessen erscheint eine nicht-topologische Wand", sagt Jere Mäkinen, Hauptautor des Studiums und Doktorand der Aalto University.

Obwohl keine physikalischen Wände, die den Fluss blockieren würden, verändern die nicht-topologischen Wände die magnetischen Eigenschaften von Helium. Die Forscher konnten die Veränderungen mit Hilfe der Kernspinresonanz nachweisen.

In den ersten Mikrosekunden nach dem Urknall glauben einige Kosmologen, dass das gesamte Universum symmetrische Phasenübergänge erlebt hat, wie ein Suprafluid in einem nanostrukturierten Volumen, wenn es gekühlt wird. Die Theorie geht davon aus, dass Quantenschwankungen oder topologische Defekte, wie Domänenwände und Quantenwirbel, im ultra-kondensierten Universum mit der Expansion des Universums eingefroren wurden. Mit der Zeit wurden diese eingefrorenen Schwankungen zu den Galaxien, die wir heute sehen und in denen wir leben. Die Möglichkeit, diese Objekte im Labor zu erstellen, kann es uns ermöglichen, mehr über das Universum zu erfahren und zu verstehen, warum es sich so geformt hat, wie es war.

Als zusätzlichen Bonus bietet die Struktur dieser hurrikanartigen Defekte, die Mäkinen im Labor erzeugt hat, auch ein potenzielles Modell für die Erforschung des topologischen Quantencomputings.

Während flüssiges Helium-3 zu hart und teuer wäre, um es als Material für einen funktionierenden Computer zu erhalten, gibt es uns ein Arbeitsmodell, um Phänomene zu untersuchen, die in zugänglicheren zukünftigen Materialien verwendet werden könnten", sagt er.

Originalveröffentlichung

J. T. Mäkinen, V. V. Dmitriev, J. Nissinen, J. Rysti, G. E. Volovik, A. N. Yudin, K. Zhang & V. B. Eltsov; "Half-quantum vortices and walls bounded by strings in the polar-distorted phases of topological superfluid 3He"; Nature Comm.; 2019

https://www.chemie.de/news/158701/quantenstrukturen-in-supergekuehltem-helium-koennen-die-fruehen-tage-des-universums-widerspiegeln.html