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超冷氦中的新量子结构可能反映了宇宙早期的情况
发布时间:2019-11-29
 

超冷氦中的新量子结构可能反映了宇宙早期的情况

超冷氦中的新量子结构可能反映了宇宙早期的情况

研究人员首次记录了超流体氦-3中“弦系壁”的长期预测现象。这样一个天体的存在,最初被宇宙学理论家所预见,可能有助于解释宇宙大爆炸后是如何冷却下来的。有了在实验室重建这些结构的新能力,地球上的科学家们终于有了一种方法,可以更近距离地研究早期宇宙中可能发生的一些情况。在此之前,阿尔托大学的低温实验室连续发生了两次打破对称性的相变。

氦在大气压下仍然是液体,即使冷却到绝对零度,在绝对零度时,所有其他物质都冻结成固体。氦不仅在低温下保持液态,而且在足够低的温度下成为超流体。超流体材料的粘度基本上为零,这意味着它应该永远流动而不损失能量。当被限制在纳米结构的体积内时,研究人员可以利用同位素氦-3的超流体相来研究类似半量子涡旋的效应。

“我们最初认为,当我们降低温度时,半量子涡旋会消失。”研究者基尔•马基宁说:“事实证明,当氦-3样品冷却到半毫开尔文以下时,它们(半量子涡旋)实际上会存活下来,而不是形成一堵非拓扑壁。”虽然物理壁不会阻碍流动,但非拓扑壁会改变氦的磁性。研究人员能够利用核磁共振检测到这些变化。

在宇宙大爆炸后的最初几微秒内,一些宇宙学家认为整个宇宙都经历了对称性断裂的相变,就像纳米结构体积内的超流体在冷却时发生的那样。该理论认为,超凝聚宇宙中的量子涨落或拓扑缺陷,如域壁和量子涡旋,在宇宙膨胀时被冻结在原地。随着时间的推移,这些冻结的波动形成了我们今天所看到和居住的星系。能够在实验室里创造这些物体,可能会让我们对宇宙有更多的了解,以及它为什么会以这种方式形成。

此外,这些飓风样缺陷的结构也为拓扑量子计算的研究提供了一个潜在的模型。他说:“虽然液态氦-3作为一种可以工作的计算机的材料太难也太贵了,但它为我们提供了一种工作模型,可以用来研究可以在更容易获得的未来材料中使用的现象。”

教授格里戈里·沃罗维克(Grigori Volovik)在上世纪70年代首次用V. P. Mineev预测了半量子涡旋。2016年,在阿尔托低温实验室的氦超流体中首次发现了它们。