Fisikawan memukul pada deskripsi matematika dari dinamika superfluida

Superfluids semacam itu ditemukan dalam bintang-bintang neutron, yang berputar antara satu dan 1.000 detik. oleh University of Washington, Seattle Sebuah foto 2001 dari pesawat ruang angkasa menunjukkan fenomena yang disebut von Karman vortisitas di awan melawan arah angin dari Rashiri Pulau di Laut utara Jepang. Vortisitas mirip dengan yang terbentuk di superfluids. Sudah 100 tahun sejak penemuan superkonduktivitas, negara dicapai ketika merkuri didinginkan, dengan bantuan helium cair, hampir suhu terdingin dicapai untuk membentuk superfluida yang memberikan perlawanan untuk elektron karena mereka mengalir melalui itu.
Selama abad itu, para ilmuwan telah berjuang untuk menemukan penjelasan matematika yang tepat tentang mengapa dan bagaimana hal ini cairan aneh berperilaku seperti halnya. Helium cair-4 itu sendiri menjadi superfluida ketika didinginkan ke dalam beberapa derajat nol mutlak pada skala Kelvin (minus 273 Celsius atau minus 460 Fahrenheit), dan kurangnya viskositas yang dihasilkan memungkinkan untuk tampaknya melawan gravitasi, mengalir ke atas dan melewati sisi wadah.
Sekarang tim yang dipimpin oleh University of Washington fisikawan, menggunakan superkomputer paling kuat yang tersedia bagi ilmu pengetahuan terbuka, telah menemukan kerangka teoritis yang menjelaskan perilaku real-time superfluids yang terbuat dari fermion - partikel subatomik, seperti elektron, proton dan neutron yang blok bangunan dasar dari alam.
Superfluids semacam itu ditemukan dalam bintang-bintang neutron, yang berputar antara satu dan 1.000 detik. Bintang-bintang, pulsar juga disebut, memiliki massa 50 persen lebih besar dari Matahari namun dikemas begitu padat yang satu dapat menempati suatu daerah hanya seukuran sebuah kota seperti Seattle, kata Aurel Bulgac, UW profesor fisika dan penulis utama dari sebuah kertas dalam edisi 10 Juni Science bahwa rincian pekerjaan.
Sebagai bintang neutron berputar, superfluida di permukaan berperilaku cukup berbeda dari cairan akan di permukaan bumi. Sebagai kecepatan rotasi meningkat cairan membuka serangkaian vortisitas kecil. Sebagai vortisitas merakit ke dalam pola segitiga, segitiga membangun struktur kisi dalam superfluida.
"Ketika Anda mencapai kecepatan yang benar, Anda akan membuat satu pusaran di tengah," kata Bulgac. "Dan ketika Anda meningkatkan kecepatan, Anda akan meningkatkan jumlah vortisitas. Tapi itu selalu terjadi dalam langkah-langkah. "
Perilaku serupa dapat diciptakan di laboratorium menggunakan ruang vakum dan sinar laser untuk menciptakan lapangan intensitas tinggi listrik yang akan mendinginkan sampel kecil, mungkin 1 juta atom, sampai suhu mendekati nol mutlak. Sebuah "sendok laser" kemudian dapat aduk cepat superfluida cukup untuk menciptakan vortisitas.
Dalam mencoba untuk memahami perilaku aneh, para ilmuwan telah berusaha untuk menyusun persamaan deskriptif, karena mereka mungkin untuk menggambarkan aksi berputar-putar dalam secangkir kopi seperti diaduk, Bulgac kata. Tetapi untuk menjelaskan tindakan dalam superfluida terbuat dari fermion, sejumlah hampir tak terbatas persamaan diperlukan. Setiap menjelaskan apa yang terjadi jika hanya satu variabel - seperti kecepatan, suhu atau kepadatan - berubah. Karena variabel terkait, jika salah satu perubahan yang lain akan berubah juga.
Tantangannya, Bulgac mengatakan, adalah untuk merumuskan masalah matematika yang tepat dan kemudian menemukan komputer yang bisa bekerja melalui masalah sebagai jumlah perubahan variabel mencapai 1 triliun atau lebih. Untuk mencapai solusi, tim pada tahun lalu menggunakan komputer JaguarPF di Oak Ridge National Laboratory di Tennessee, salah satu superkomputer terbesar di dunia, untuk setara dengan 70 juta jam, yang akan membutuhkan hampir 8.000 tahun pada satu- inti komputer pribadi (JaguarPF memiliki hampir seperempat juta core).
"Ini memberitahu Anda kompleksitas perhitungan ini dan betapa sulitnya ini," katanya.
Para peneliti juga menemukan melalui perhitungan mereka bahwa dengan meningkatkan kecepatan di mana cairan diaduk, akhirnya akan kehilangan sifat superfluida nya - meskipun tidak secepat sebelumnya telah dihipotesiskan.
Pekerjaan berarti bahwa peneliti dapat "sampai batas tertentu" mempelajari sifat dari sebuah bintang neutron menggunakan simulasi komputer, Bulgac kata.
Ini juga membuka arah baru penelitian dalam fisika atom dingin.
"Ini adalah langkah yang cukup maju yang besar dalam mempelajari proses-proses dinamis," katanya.