Robert Klatt
Forscher haben erstmals einen Quantentornado in einem neuen kryogenen System erschaffen. Die dabei gemachten Beobachtungen helfen bei der Erforschung Schwarzer Löcher.
Nottingham (England). Forscher der University of Nottingham um Dr. Patrik Svancara haben erstmals einen Quantentornado erschaffen. Der Wirbelstrudel im superfluiden Helium, einer Flüssigkeit ohne jede innere Reibung, wurde bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt erzeugt.
Die Beobachtungen der Wellendynamiken des Superfluids zeigen, dass der Quantentornado die gravitativen Bedingungen in der Nähe eines rotierenden Schwarzen Loches nachbildet. Das neue Experiment ermöglicht es, der Wissenschaft somit zu untersuchen, wie sich Schwarze Löcher verhalten und wie diese ihre Umgebung beeinflussen.
„Die Verwendung von superflüssigem Helium hat es uns ermöglicht, winzige Oberflächenwellen mit größerer Detailgenauigkeit und Genauigkeit zu studieren als bei unseren vorherigen Experimenten mit Wasser. Da die Viskosität von superflüssigem Helium extrem gering ist, konnten wir ihre Interaktion mit dem Superfluidtornado sorgfältig untersuchen und die Ergebnisse mit unseren eigenen theoretischen Vorhersagen vergleichen.“
Um den Quantentornado zu erschaffen, haben die Forscher laut ihrer Publikation im Fachmagazin Nature ein neues kryogenes System entwickelt, in sie mehrere Liter superflüssiges Helium auf eine Temperatur von minus 271 Grad Celsius gekühlt haben. Das flüssige Helium nimmt bei dieser Temperatur ungewöhnliche Quanteneigenschaften.
Normalerweise verhindern diese Quanteneigenschaften, dass in Quantenflüssigkeiten, etwa Quantenflüssigkeiten des Lichts oder ultrakalten atomaren Gasen, Wirbel entstehen. In dem neuen Kühlsystem, dass die Forscher der University of Nottingham gemeinsam mit Forscher des King’s College London (KCL) und der Universität Newcastle entwickelt haben, konnte jedoch beobachtet werden, dass das superflüssige Helium als stabilisierende Kraft auf die Quantenwirbel einwirkt und deren Bildung nicht verhindert.
„Superflüssiges Helium enthält winzige Objekte, die als Quantenwirbel bezeichnet werden, die dazu neigen, sich voneinander zu entfernen. In unserem Aufbau ist es uns gelungen, Zehntausende dieser Quanten in einem kompakten Objekt zu konfinieren, das einem kleinen Tornado ähnelt und damit einen Wirbelfluss mit rekordbrechender Stärke im Bereich der Quantenflüssigkeiten erreicht.“
Laut den Beobachtungen des superfluiden Heliums bestehen deutliche Parallelen zwischen dem Wirbelfluss und den Auswirkungen der Gravitation Schwarzer Löcher auf die Raumzeit. Dies ermöglicht es den Forschern, neue Simulationen von Quantenfeldtheorien innerhalb der gekrümmt durchzuführen. Wie Silke Weinfurtner erklärt, könnte das Experiement zudem dabei helfen, Prognosen zum Verhalten von Schwarzen Löchern zu erstellen.
Mit unserem Experiment haben wir diese Forschung nun auf die nächste Ebene gehoben. Es könnte irgendwann dazu führen, dass wir vorhersagen können, wie sich Quantenfelder in gekrümmten Raumzeiten um astrophysikalische Schwarze Löcher verhalten.
Nature, doi: 10.1038/s41586-024-07176-8
