Lực ma sát bất ngờ xuất hiện ở helium-3 siêu chảy

Helium-3 là một chất siêu chảy được cho là có thể chảy tự do không ma sát. Nhưng theo Jere Mäkinen và Vladimir Eltsov tại Đại học Aalto ở Phần Lan, các giả hạt bên trong một mẩu helium-3 siêu chảy đang xoay tròn bất ngờ tạo ra lực ma sát. Khám phá của họ có thể có nhiều ứng dụng đa dạng, từ sao neutron đến máy tính lượng tử.

Các nguyên tử helium-3 là fermion, chúng ghép cặp ở nhiệt độ cực thấp tạo thành boson rồi có thể tạo ra chất siêu chảy – một chất lỏng không có độ nhớt cho phép dòng chảy không ma sát. Tương tác ghép cặp này có phần giống với cái xảy ra với các electron trong chất siêu dẫn và cũng có thể xảy ra với các neutron bên trong lõi của sao neutron.

Các nhà vật lí biết hai pha riêng biệt của sự siêu chảy ở helium-3. Pha B xảy ra ở áp suất thấp và nhiệt độ thấp, trong khi pha A xảy ra ở áp suất và nhiệt độ cao hơn.

Các xoáy siêu chảy được tạo ra bên trong bình điều nhiệt này (trái) và có thể đem đến cái nhìn mới về những hỗn độn trong các chất lưu cổ điển (phải). (Ảnh: Đại học Aalto/Tapio Reinekoski)

Trong thí nghiệm của họ, Mäkinen và Eltsov cho quay tròn một bình trụ chứa chất siêu chảy pha B, nó tạo ra các xoáy bên trong helium-3. Sau đó bình chứa được làm cho ngừng quay và hai tác giả theo dõi chuyển động tiếp theo của chất siêu chảy bằng kĩ thuật cộng hưởng từ hạt nhân và hai âm thoa thạch anh nhúng chìm tại đáy bình.

Đáng lẽ những xoáy này phải quay theo kiểu trơn tru và ổn định và không thể trao đổi động năng với môi trường xung quanh của chúng. Thay vậy, các nhà vật lí quan sát thấy những sai lệch khỏi đối xứng trụ hoàn hảo từ các xoáy dẫn tới hỗn loạn. Điều này cho biết helium-3 không còn chảy theo kiểu hoàn hảo không ma sát.

Viết trên tạp chí Physical Review B, Mäkinen và Eltsov đề xuất rằng nguồn gốc của sự ma sát này là các giả hạt trở nên bị bẫy bên trong lõi của các xoáy. Khi các xoáy tăng tốc, các giả hạt thu năng lượng, sau đó chúng có thể tiêu tán năng lượng ra môi trường xung quanh của chúng ở dạng ma sát.

Việc hiểu được cách làm giảm thiểu loại ma sát này có thể quan trọng cho những ai đang cố gắng nâng cao hiệu suất của các linh kiện dùng cho máy tính lượng tử gốc chất siêu dẫn, chúng cũng có sự chảy những siêu dòng giống như chất siêu chảy. Quá trình tiêu hao năng lượng mà đội Aalto quan sát thấy còn đưa đến cái nhìn mới về vật lí học sao neutron, người ta tin rằng chúng có một bộ phận siêu chảy tại lõi của chúng. Chẳng hạn, những biến đổi đột ngột chưa lí giải được trong tốc độ quay của một số sao neutron có thể là do một hiện tượng tương tự.

Nghiên cứu trên còn có thể đem đến cái nhìn mới lí giải tại sao hỗn loạn xảy ra trong các vật liệu thường ngày, thứ tỏ ra rất khó tính toán.

Nguồn: physicsworld.com