Mokslo ir technologijų pasaulis

Praėjo daugiau kaip šimtas metų po superlaidumo atradimo. Superlaidumo būsena buvo gauta gyvsidabryje jį šaldant skystu heliu iki artimos absoliučiam nuliui temperatūros, kurioje susiformuoja superskystis, ir elektronai gali judėti jame be pasipriešinimo.

Per visą praeitą amžių mokslininkai bandė matematiškai aprašyti, kodėl ir kaip šis skystis elgiasi. Skystas ⁴helis tampa superskysčiu atšaldžius jį iki kelių laipsnių virš absoliutaus nulio temperatūros Kelvino skalėje (minus 273,15 °C). Klampumo nebuvimas sudaro sąlygas skysčiui tekėti be pasipriešinimo.

Mokslininkų grupė, vadovaujama Vašingtono universiteto fiziko, panaudojo patį galingiausią superkompiuterį, prieinamą mokslui, ir sukūrė teorinį modelį, kuris paaiškina superskysčio, sudaryto iš elektronų, elgseną. Fermionai yra subatominės dalelės, tokios, kaip elektronai, protonai ir neutronai. Iš jų sudaryta mus supanti Visata.

Superskysčiai yra stebimi neutroninėse žvaigždėse, kurios sukasi nuo vieno iki tūkstanties kartų per sekundę greičiu. Šios žvaigždės taip pat yra vadinamos pulsarais, ir jų masė yra apie penkiasdešimt procentų didesnė nei Saulės masė. Tačiau pulsarų tankis yra labai didelis, nes jos savo dydžiu prilygsta, pavyzdžiui, Sietlo miestui, pasakojo Vašingtono universiteto profesorius bei straipsnio, atspausdinto „Science“ žurnale, pagrindinis autorius Aurelis Bulgakas.

Neutroninėms žvaigždėms sukantis, paviršiuje esantis superskystis elgiasi skirtingai nei skystis Žemės paviršiuje. Didėjant sukimosi greičiui, skystyje susiformuoja daugybė mažų sūkurių (angl. vortices). Sūkuriams susijungus į trikampius, trikampiai superskystyje sudaro gardelės struktūrą.

„Pasiekus tam tikrą greitį, viduryje trikampio susidaro sūkurys, – paaiškino Bulgakas. – Didinant greitį, didėja sūkurių skaičius, bet visa tai vyksta ne palaipsniui, o žingsniais.“

Panašus elgesys gali būti gautas ir laboratorijoje, naudojant vakuumo kamerą. Naudojamas lazerio spindulys, kuris sukuria didelio intensyvumo elektrinį lauką, kuris atšaldo bandinį, sudarytą, tarkim, iš milijono atomų. Atomai atšaldomi iki artimos absoliučiam nuliui temperatūros. Vėliau lazeriu atomai įsukami taip greitai, kad pradeda formuotis sūkuriai.

Bandydami suprasti keistą superskysčių elgesį, mokslininkai sukūrė procesą aprašančias lygtis. Tai panašu į sūkurį, gaunamą kavos puodelyje, kai jame esantis skystis yra maišomas, pasakė Bulgakas. Tačiau norint aprašyti superskystį, sudarytą iš fermionų, reikia sudaryti beveik begalinį lygčių skaičių. Kiekviena jų aprašo, kas atsitinka, jei bent vienas kintamasis, toks kaip greitis, temperatūra ar tankis pasikeičia. Kadangi kintamieji yra tarpusavyje susiję, tai vienam pasikeitus keičiasi ir kiti.

Bulgakas pasakė, kad pagrindinis iššūkis buvo tinkamai suformuluoti matematinę užduotį, o tada surasti kompiuterį, kuris galėtų šią užduotį išspręsti, nes kintamųjų skaičius siekė vieną trilijoną, o galbūt ir daugiau. Šiai užduočiai spręsti buvo pasitelktas JaguarPF kompiuteris, esantis Oukridžo nacionalinėje laboratorijoje (Oak Ridge National Laboratory), Tenesio valstijoje. Tai vienas galingiausių superkompiuterių pasaulyje. Jis turi beveik ketvirtį milijono branduolių. Uždaviniui išspręsti prireikė apie septyniasdešimt milijonų procesoriaus darbo valandų, o tai atitinka aštuonis tūkstančius metų, jei skaičiavimams būtų naudotas vieno branduolio kompiuteris.

„Tai pasako, kokie sudėtingi skaičiavimai buvo atlikti“, – paaiškino Bulgakas.

Mokslininkai, atlikę skaičiavimus, atrado, kad didinant greitį, kuriuo skystis maišomas, galiausiai superskystis neteks savo savybių. Tačiau tai įvyks ne taip greitai, kaip manyta anksčiau. Skaičiavimų rezultatus vaizduojantys video pateikti šiame puslapyje.

Atliktas darbas reiškia, kad gali būti atlikti daliniai neutroninių žvaigždžių tyrimai, naudojant kompiuterinį modeliavimą, pasakė Bulgakas. Tai taip pat atveria naujus kelius šaltų atomų tyrimams.

„Tai pakankamai didelis žingsnis pirmyn tiriant šių procesų dinamiką“, – pasakė jis.