Gdy zamieszamy wodę w szklance, zaczyna ona wirować, lecz po chwili ruch zanika wskutek tarcia i lepkości. Istnieją jednak układy, w których opory niemal znikają – tak zachowują się układy nadciekłe, takie jak nadciekły hel czy ultrazimne gazy atomowe. W takich cieczach wiry nie są zwykłymi zawirowaniami, lecz obiektami kwantowymi o ściśle określonych własnościach: niosą dyskretne porcje cyrkulacji i odgrywają kluczową rolę w zjawiskach od nadprzewodnictwa po fizykę gwiazd neutronowych. W rzeczywistych warunkach, przy skończonej temperaturze, pojawia się jednak subtelny efekt „tarcia”. Właśnie to zjawisko stało się przedmiotem badań zespołu eksperymentatorów z laboratorium we Florencji i teoretyków z Politechniki Warszawskiej. Wyznaczono po raz pierwszy parametry opisujące „siłę tarcia” działającą na pojedynczy wir kwantowy w silnie oddziałującym gazie atomowym.

Badania przeprowadzono na ultrazimnym gazie atomów litu-6, schłodzonym do temperatur bliskich zera bezwzględnego i uwięzionym w niemal dwuwymiarowej pułapce optycznej. W eksperymencie wytworzono parę wir–antywir: jeden wir został unieruchomiony w centrum za pomocą wiązki laserowej, natomiast drugi poruszał się swobodnie, krążąc wokół niego. W idealnej sytuacji ruch ten byłby kołowy, jednak obecność tarcia powoduje powolne zmniejszanie promienia orbity i przekształcenie trajektorii w spiralę. Analiza tego ruchu pozwoliła wyznaczyć dwa kluczowe współczynniki tarcia wzajemnego: podłużny (odpowiedzialny za rozpraszanie energii) oraz poprzeczny (odpowiedzialny za zmianę kierunku ruchu). Na tej podstawie badacze wyznaczyli również kąt Halla wiru – analogiczny do efektu Halla w przewodnikach – który dostarcza informacji o czasie relaksacji kwazicząstek związanych w rdzeniu wiru. Rdzeń ten nie jest pusty: zawiera lokalne stany kwazicząstek (stany Andreeva), których oddziaływanie z rozproszonymi wzbudzeniami cieplnymi determinuje mechanizmy strat energii. Dodatkowo określono liczbę Reynoldsa wiru Reα, opisującą przejście od uporządkowanego ruchu do reżimu kwantowej turbulencji.

Wykonane pomiary wykazały bardzo dobrą zgodność z teorią układów nadciekłych w stanach nierównowagowych rozwijaną na Wydziale Fizyki PW. Dzięki wykorzystaniu jednego z najpotężniejszych europejskich superkomputerów – LUMI – oraz specjalistycznemu oprogramowaniu stworzonemu na Politechnice Warszawskiej uzyskano wgląd w mechanizmy odpowiedzialne za efekty dyssypacyjne w układach, które z definicji powinny być niemal bezstratne. Odkrycie to znacząco poszerza naszą wiedzę o kwantowej hydrodynamice i ma szerokie konsekwencje – od lepszego zrozumienia strat energii w nadprzewodnikach po modelowanie materii w ekstremalnych warunkach, takich jak wnętrza gwiazd neutronowych.