Tutkijat pääsivät kvanttiturbulenssin jäljille – turbulenssin ymmärtämisestä voi olla apua niin sään ennustamisessa kuin autojen suunnittelussakin

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 tarkasti laskea tai mallintaa tietokoneilla, sillä yksikään tietokone ei pysty käsittelemään vaadittavaa tietomäärää.
Nyt 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 arvostetussa 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, jotka lämpötilan lähestyessä absoluuttista nollapistettä voivat virrata lähes kitkatta. Tämän seurauksena 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 supranesteissä syntyy näiden pyörteiden vuorovaikutuksista, ja miten ne kytkeytyvät supranesteen ominaisuuksiin suuremmilla pituusskaaloilla.
Aalto-yliopiston vanhemman tutkijan Vladimir Eltsovin johtama tutkimusryhmä tarkkaili turbulenssin esiintymistä supranesteessä käyttäen helium-3-isotooppia. Ainetta käsiteltiin Aalto-yliopiston Kylmälaboratoriossa sijaitsevassa ainutlaatuisessa pyörivässä superpakastimessa eli kryostaatissa, joka kykenee jäähdyttämään näytteen yli miljoona kertaa huoneenlämpöä matalampiin lämpötiloihin. Kokeessa niin sanotut Kelvin-aallot yksittäisissä kvanttipyörteissä työntävät energiaa yhä pienemmille ja pienemmille pituusskaaloille – 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 kvanttipyörteistä,” kertoo tutkimuksen pääkirjoittaja, tutkijatohtori Jere Mäkinen Aalto-yliopistosta.
Tulevaisuudessa turbulenssin parempi ymmärrys voi auttaa kaikkialla, missä nesteiden ja kaasujen, kuten veden ja ilman, liikkeen hallinta on olennaista.
”Tutkimuksemme turbulenssin pienimmillä rakennuspalikoilla voi avata tietä koko ilmiön laajempaan hyödyntämiseen. Klassisen 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.
Linkki tutkimusartikkeliin Nature Physics -lehdessä: https://www.nature.com/articles/s41567-023-01966-z
Avainsanat
Yhteyshenkilöt
Jere Mäkinen
Tutkijatohtori, Aalto-yliopisto
jere.makinen@aalto.fi
Kuvat

Linkit
Tietoja julkaisijasta
Aalto-yliopistossa tiede ja taide kohtaavat tekniikan ja talouden. Rakennamme kestävää tulevaisuutta saavuttamalla läpimurtoja avainalueillamme ja niiden yhtymäkohdissa. Samalla innostamme tulevaisuuden muutoksentekijöitä ja luomme ratkaisuja maailman suuriin haasteisiin. Yliopistoyhteisöömme kuuluu 12 000 opiskelijaa ja yli 4000 työntekijää, joista 400 on professoreita. Kampuksemme sijaitsee Espoon Otaniemessä.
Tilaa tiedotteet sähköpostiisi
Haluatko tietää asioista ensimmäisten joukossa? Kun tilaat tiedotteemme, saat ne sähköpostiisi välittömästi julkaisuhetkellä. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.
Lue lisää julkaisijalta Aalto-yliopisto
Nimityksiä: Kari Tammi ja Jussi Ryynänen nimitetty dekaaneiksi Aalto-yliopistossa7.6.2023 13:43:17 EEST | Tiedote
Professori Kari Tammi aloittaa 1. heinäkuuta dekaanina Insinööritieteiden korkeakoulussa ja professori Jussi Ryynänen 1. elokuuta dekaanina Sähkötekniikan korkeakoulussa.
Tutkijat tekivät läpimurron Auringon magneettikentän ymmärtämisessä7.6.2023 09:33:00 EEST | Tiedote
Tutkimuksessa löydettiin näyttöä pienen skaalan dynamoksi kutsutulle toimintamekanismille Auringon magneettikentässä.
Matematiikkaa ja taiteita sulauttava Kurotuksia – Higher Powers avautuu Heurekassa tänään – jättimäisiä limasieniteoksia on esillä jopa kaksin kappalein6.6.2023 08:23:06 EEST | Tiedote
Aalto-yliopiston arkkitehtuuria, taidetta ja matematiikkaa yhdistävän kurssin loppunäyttely Kurotuksia – Higher Powers on auki Heurekassa elokuun loppuun. Näyttelyssä leikitellään geometrialla, symmetrioilla ja orgaanisilla muodoilla.
Aalto-yliopistoon elokuva- ja televisiodramaturgian erikoistumiskoulutus2.6.2023 12:30:00 EEST | Tiedote
Aalto-yliopiston elokuvataiteen laitoksella alkaa syksyllä 2023 elokuva- ja televisiodramaturgian erikoistumiskoulutus. Se on suunniteltu ammatillista osaamista syventäväksi koulutukseksi alalla jo toimiville.
Aalto-yliopiston opiskelijoiden hiiliviisaita ratkaisuja esillä Espoon Isossa Omenassa2.6.2023 09:15:00 EEST | Tiedote
Hiiliviisas kaupunkivihreä -näyttelyssä 5.–18. kesäkuuta tutustutaan Aalto-yliopiston maisema-arkkitehtiopiskelijoiden visioihin tulevaisuuden Espoosta.
Uutishuoneessa voit lukea tiedotteitamme ja muuta julkaisemaamme materiaalia. Löydät sieltä niin yhteyshenkilöidemme tiedot kuin vapaasti julkaistavissa olevia kuvia ja videoita. Uutishuoneessa voit nähdä myös sosiaalisen median sisältöjä. Kaikki tiedotepalvelussa julkaistu materiaali on vapaasti median käytettävissä.
Tutustu uutishuoneeseemme