Исследователи-инженеры разработали новое объяснение образования вихрей в 2D сверхтекучей жидкости

Исследователи из инженерного колледжа FAMU-FSU и Национальной лаборатории сильного магнитного поля получили новое понимание образования вихрей в квантовой и, работа, которая может помочь нам понять физическую тайну того, как образуются вихревые кластеры, и обеспечить ценное понимание в атмосферное вихревое движение на таких планетах, как Земля и Юпитер.



Исследователи обнаружили альтернативное объяснение образования так называемых вихрей Онзагера в двумерной сверхтекучей жидкости, типе квантовой жидкости, которая может течь без трения. Их выводы были опубликованы в Письма с физическими проверками.

«Это открытие дает нам новое объяснение того, как эти вихри могут образовываться, и является важным шагом на пути дальнейшего улучшения нашего понимания квантовой физики», — сказал Вэй Го, доцент кафедры машиностроения и ведущий исследователь исследования.

В 1949 году лауреат Нобелевской премии Ларс Онсагер предложил простую теорию, относящуюся к нашему пониманию закрученного движения в турбулентных двумерных жидкостях, которые являются жидкостями, вынужденными двигаться в двумерном пространстве.

Теория Онзагера говорит, что когда энергия постоянно добавляется в двумерную турбулентную жидкость с хаотическими небольшими завихрениями (формально называемыми вихрями), эти завихрения, вращающиеся в одном направлении, будут группироваться с образованием крупномасштабных устойчивых завихрений, когда энергия достаточно высока. Эти скопления или крупномасштабные водовороты известны как «вихри Онзагера». Большое красное пятно Юпитера — хороший тому пример.

«Теория Онзагера требует добавления энергии к двумерной жидкости», — сказал Гуо. «Однако недавние публикации показали, что в двумерных конденсатах Бозе-Эйнштейна (БЭК) вихри Онзагера могут возникать спонтанно без подвода энергии. Мы решили провести дополнительные исследования этих удивительных результатов».

БЭК — это состояние вещества, при котором идентичные атомы или молекулы удерживаются лазером или магнитной ловушкой и охлаждаются почти до абсолютного нуля. Частицы в состоянии BEC занимают один и тот же квантово-механический уровень энергии и могут проявлять сверхтекучие свойства, например, течь без видимой потери кинетической энергии и вращаясь вокруг крошечных полых трубок, называемых вихревыми трубками. При наличии соответствующей ловушки БЭК может иметь квазидвумерную форму диска, то есть форму с небольшой толщиной, но большим радиусом. Вихревые трубки в 2D BEC выглядят как крошечные точечные завихрения, которые могут служить идеальным испытательным стендом для теории Онзагера.

«Общепринятое объяснение спонтанного появления вихрей Онзагера в двумерных дисковых БЭК — это механизм испарительного нагрева», — сказал Гуо. «Этот механизм относится к тому, что физики называют аннигиляцией вихрей, когда пара вихрей с противоположным вращением сливается и исчезает, точно так же, как положительный заряд нейтрализуется отрицательным».

«Когда вихри аннигилируют, энергия каждого вихря увеличивается, что приводит к образованию вихрей Онзагера», — сказал Тошиаки Канаи, аспирант-исследователь, работающий с Гуо в Национальной лаборатории сильного магнитного поля.