Per la prima volta, i ricercatori hanno documentato il verificarsi, da tempo previsto, di "muri legati da fili" nell'elio-3 superfluido. L'esistenza di un tale oggetto, originariamente previsto dai teorici della cosmologia, può aiutare a spiegare come l'universo si sia raffreddato dopo il Big Bang. Con la nuova capacità di ricreare queste strutture in laboratorio, gli scienziati terrestri hanno finalmente un modo per studiare più da vicino alcuni dei possibili scenari che potrebbero essersi verificati nell'universo primordiale.

Le scoperte, in uscita il 16 gennaio in Comunicazioni sulla natura , è arrivato dopo due successive transizioni di fase che rompono la simmetria al Low Temperature Laboratory dell'Università di Aalto.

L'elio rimane liquido a pressione atmosferica anche quando viene raffreddato fino allo zero assoluto, al quale tutti gli altri materiali si solidificano. Non solo l'elio rimane fluido a temperature criogeniche, ma diventa un superfluido a temperatura sufficientemente bassa. Un materiale superfluido ha essenzialmente viscosità zero, il che significa che dovrebbe fluire per sempre senza perdere energia.

Quando è limitato a un volume nanostrutturato, i ricercatori possono utilizzare le fasi superfluide dell'isotopo elio-3 per studiare effetti come vortici semiquantistici, vortici nel superfluido in cui la quantità di elio che scorre è strettamente controllata dalle regole della fisica quantistica.

"Inizialmente pensavamo che i vortici semiquantistici sarebbero scomparsi quando abbassavamo la temperatura. Si scopre che [i vortici semiquantistici] in realtà sopravvivono mentre il campione di elio-3 viene raffreddato a meno di mezzo millikelvin, invece appare un muro non topologico, "dice Jere Mäkinen, autore principale dello studio e dottorando presso la Aalto University.

Pur non essendo muri fisici, che bloccherebbe il flusso, le pareti non topologiche alterano le proprietà magnetiche dell'elio. I ricercatori sono stati in grado di rilevare i cambiamenti utilizzando la risonanza magnetica nucleare.

Nei primi microsecondi dopo il Big Bang, alcuni cosmologi credono che l'intero universo abbia sperimentato transizioni di fase che rompono la simmetria, come un superfluido all'interno di un volume nanostrutturato mentre viene raffreddato. La teoria dice che le fluttuazioni quantistiche o i difetti topologici, come muri di dominio e vortici quantistici, nell'universo ultra-condensato sono stati congelati sul posto mentre l'universo si espandeva. Con il tempo queste fluttuazioni congelate sono diventate le galassie che vediamo, e vivere in, oggi. Essere in grado di creare questi oggetti in laboratorio può permetterci di capire di più sull'universo e perché si è formato in quel modo.

Come bonus, la struttura di questi difetti simili a uragani creati da Mäkinen in laboratorio fornisce anche un potenziale modello per lo studio del calcolo quantistico topologico.

"Mentre l'elio-3 liquido sarebbe troppo duro e costoso da mantenere come materiale per un computer funzionante, ci fornisce un modello funzionante per studiare fenomeni che potrebbero essere utilizzati in materiali futuri più accessibili, " lui dice.

Professore Emerito Grigori Volovik, coautore del nuovo studio, ha predetto per la prima volta vortici semiquantici con V. P. Mineev negli anni '70. Sono stati osservati per la prima volta nell'elio superfluido, nell'Aalto Low Temperature Lab, nel 2016.