Tutkijat ovat onnistuneet ensimmäistä kertaa osoittamaan energian katoamisen atomejakin pienemmällä tasolla eli kvanttiturbulenssissa.

Lentomatkustamisesta monille niin tuttu turbulenssi on todellisuudessa jopa fyysikoille äärimmäisen hankala ilmiö. Samat voimat, jotka heiluttavat lentokoneita ovat läsnä niin lasillisessa vettä kuin jopa atomia pienempien hiukkasten pyörteissäkin. Turbulenssia ei kuitenkaan voi laskea tai mallintaa tietokoneilla – muuttujia on yksinkertaisesti liikaa.

Aalto-yliopiston tutkijat ovat onnistuneet pääsemään lähemmäs turbulenssin ymmärtämistä tuoreella kvanttiturbulenssia selittävällä tutkimuksellaan. Tutkijoiden havainto vahvisti ensimmäistä kertaa maailmassa teoreettisen mallin, joka selittää energian katoamista kvanttiturbulenssissa. Tutkimus julkaistiin äskettäin Nature Physics -lehdessä.

Turbulenssi tarkoittaa nesteen tai kaasun virtauksen nopeita suunnan tai nopeuden muutoksia. Tutkijat ympäri maailmaa ovat yrittäneet ymmärtää turbulenssia muun muassa supranesteiden avulla. Ne ovat aineita, joista alhaisissa lämpötiloissa katoaa vastus. Tällöin supraneste ei esimerkiksi pysy astiassa, vaan karkaa astian reunan yli.

Supranesteissä esiintyvän turbulenssin aiheuttavat äärimmäisen pienet, keskenään samanlaiset kvanttipyörteet. Tutkijoiden tavoitteena on ollut selvittää, miten turbulenssi syntyy tällä atomejakin pienemmällä kvanttitasolla, ja voisiko sen avulla selittää suurempia ilmiöitä, kuten esimerkiksi koko maapallon ilmakehään vaikuttavaa turbulenssia.

Aalto-yliopiston vanhemman tutkijan Vladimir Eltsovin johtama tutkimusryhmä tarkkaili turbulenssin esiintymistä supranesteessä eli helium-3-isotoopissa. Ainetta käsiteltiin Aalto-yliopiston Kylmälaboratoriossa sijaitsevassa ainutlaatuisessa pyörivässä superpakastimessa eli kryostaatissa. Kokeessa niin sanotut Kelvin-aallot vaikuttavat yksittäisiin kvanttipyörteisiin työntämällä energiaa yhä pienempään ja pienempään tilaan – aina siihen saakka, kunnes energia alkoi kadota pyörteistä lämpönä.

– Energian katoaminen kvanttipyörteistä äärimmäisen alhaisissa lämpötiloissa on ollut keskeinen ongelma kvanttiturbulenssin tutkimuksessa. Osoitimme ensimmäistä kertaa kokeellisesti Kelvin-aaltojen aiheuttaman energian katoamisen lämpönä, kertoo tutkimuksen pääkirjoittaja, tutkijatohtori Jere Mäkinen Aalto-yliopistosta.

Tulevaisuudessa kvanttiturbulenssin parempi ymmärrys voi auttaa kaikkialla, missä nesteiden ja kaasujen, kuten veden ja ilman, liikkeen hallinta on olennaista.

– Tutkimuksemme turbulenssin keskeisistä syntytekijöistä voi avata tietä koko ilmiön laajempaan hyödyntämiseen. Turbulenssin paremmalla ymmärryksellä on valtavasti erilaisia käytännön mahdollisuuksia, esimerkiksi ajoneuvojen aerodynamiikan kehittämisessä, vesiputkien suunnittelussa tai vaikka sään ennustamisessa, Mäkinen sanoo.

Seuraavaksi tutkimusryhmä aikoo päästä käsiksi yksittäiseen kvanttipyörteeseen supranesteeseen upotettujen vain millimetrin miljoonasosien kokoisten laitteiden avulla. Tarkoituksena on saada lisää tietoa kvanttipyörteiden synnystä ja toiminnasta, sillä Mäkisen mukaan vielä ei tiedetä, mitä yksittäistä pyörrettä käsitellessä voi tapahtua.

Aamuset-kaupunkimedia (AKM)