Vormen die ontstaan door wervelingen in water vallen snel uit elkaar, maar een vreemde quantumvloeistof van ultrakoude atomen kan wervelknopen bevatten die nooit uit de knoop gaan.
Door een quantumvloeistof te manipuleren zouden onderzoekers vloeibare knopen kunnen vormen die nooit uit elkaar vallen. Deze zouden licht kunnen werpen op vreemde quantumobjecten uit de begintijd van het universum.
Lusje touw
Wanneer kleine draaikolken, ofwel ‘wervels’, zich vormen in een vloeistof, kunnen ze lussen vormen die vervolgens geknoopt kunnen worden als lusjes touw. Maar anders dan knopen in een lusje touw, die niet uit elkaar gaan zonder de hulp van een schaar, vallen geknoopte wervelingen in een vloeistof gemakkelijk uit elkaar. Ze kunnen exploderen in een diffuse zwerm van wervelingen, of de vloeibare ‘touwtjes’ kunnen door elkaar heen gaan bewegen. Wiskundige Toni Annala van de Universiteit van Chicago en zijn collega’s realiseerden zich dat dit voorkomen kon worden in de quantumwereld. Binnenkort worden hun resultaten gepubliceerd in het vakblad Physical Review Letters.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
Ze toonden aan dat bepaalde knopen – de klaverbladknoop, de achtknoop en de zogeheten Salomonsknoop – ongelooflijk stabiel zouden zijn als ze gemaakt zouden zijn van wervels in een vloeistof die quantumeffecten vertoont, in het bijzonder een bose-einsteincondensaat (BEC). Een BEC is gemaakt van atomen die bijna net zo koud zijn als het absolute nulpunt, waardoor ze zich niet meer gedragen als deeltjes maar meer als één golf.
Quantumgolfgedrag
Omdat vloeistoffen zoals BEC’s dit quantum-golfgedrag vertonen, moeten ze beschreven worden met wiskundige vergelijkingen die complexer zijn dan die voor gewone vloeistoffen zoals water. Deze vergelijkingen bevatten regels voor wat een vortex wel en niet kan doen. De onderzoekers stelden vast dat voor atomen met een hoge waarde van de quantumspin (een bepaalde quantummechanische eigenschap die je kunt zien als draaiing), er knopen kunnen ontstaan die niet uit elkaar gaan.
‘We ontdekten eerder dat deze knopen wiskundig gezien waar konden zijn. De vraag die nog open stond, was of je knopen zou kunnen vinden die je ook praktisch zou kunnen realiseren, bijvoorbeeld in een BEC in het laboratorium’, zegt Annala.
Natuurkundige Mikko Möttönen van de Aalto Universiteit in Finland, die aan het project werkte, zegt dat het daadwerkelijk maken van zo’n knoop in een experiment veel technische expertise en innovatie zal vergen. Maar de onderzoekers zijn eerder betrokken geweest bij vergelijkbare experimenten, en zijn er zeker van dat er een manier is om vooruitgang te boeken.
Vroege heelal
‘De wiskunde is heel erg algemeen, wat betekent dat als we erover kunnen leren in een experimenteel toegankelijke BEC, die kennis kan worden toegepast op systemen die we niet in het lab kunnen bestuderen’, zegt natuurkundige Magnus Borgh van de Universiteit van East Anglia in het Verenigd Koninkrijk. Zo zou je misschien meer te weten kunnen komen over bepaalde theoretische wervel-achtige objecten in het vroege heelal.
