Исследователи расширяют понимание распространения вихрей в сверхтекучих жидкостях

Международная группа ученых, в состав которой входят исследователи из Университета штата Флорида, разработала модель, которая предсказывает распространение вихрей в так называемых сверхтекучих ях, работа, которая дает новое представление о физике, управляющей турбулентностью в системах с квантовой жидкостью, таких как сверхтекучие нейтронные звезды.


В статье, опубликованной в Письма о физическом обзореисследователи создали модель, описывающую распространение и скорость торнадоподобных вихревых трубок в сверхтекучих жидкостях. Вихревые трубы являются ключевым компонентом турбулентности, широко изучаемой в классической физике. Движение вихревых трубок имеет значение в широком диапазоне сценариев, таких как формирование ураганов, передача вирусов по воздуху и химическое смешивание при звездообразовании. Но это плохо изучено в квантовых жидкостях.

Эта работа расширяет предыдущее исследование, в котором сообщается об экспериментальных результатах, полученных в сверхтекучем гелии-4 в узком диапазоне температур. Сверхтекучие жидкости — это жидкости, которые могут течь без сопротивления и, следовательно, без потери кинетической энергии. Когда они перемешиваются, они образуют вихри, которые вращаются бесконечно.

«Подтверждая эту модель и показывая, что она описывает движение вихрей в широком диапазоне температур, мы подтверждаем универсальное правило для этого явления», — сказал Вэй Го, доцент кафедры машиностроения Инженерного колледжа FAMU-FSU. . «Это открытие может помочь в разработке передовых теоретических моделей турбулентности квантовой жидкости».

В предыдущем исследовании Го и его команда проследили вихревые трубки, появившиеся в сверхтекучем гелии-4, квантовой жидкости, существующей при экстремально низких температурах. В этом исследовании команда использовала крошечные частицы, захваченные вихрями, чтобы отслеживать их движение. Они обнаружили, что вихри распространяются намного быстрее, чем можно было бы ожидать, исходя из явно случайного движения трубок. Это быстрое распространение известно как супердиффузия.

В последней работе исследователи построили численную модель и использовали результаты своего предыдущего исследования для проверки точности модели путем воспроизведения экспериментальных результатов. Это позволило им предсказать, как вихревые трубки могут образовываться и распространяться в сверхтекучих средах в более широком диапазоне температур. Моделирование также дало однозначные доказательства, подтверждающие физический механизм, предложенный авторами для объяснения наблюдаемой супердиффузии вихрей.

Исследователи стремятся понять турбулентность в квантовых жидкостях для основных исследовательских целей, а также для возможного использования в практических приложениях, таких как изготовление нанопроводов. Вихревые трубки притягивают частицы, которые группируются в невероятно тонкие линии. Управление этим процессом позволяет производить так называемые нанопроволоки, толщина которых измеряется в нанометрах.

«Рассеивание частиц в турбулентном потоке — очень активная тема в области классической турбулентности, но ей уделяется меньше внимания в сообществе квантовых жидкостей», — сказал Юань Тан, соавтор и научный сотрудник Национального исследовательского центра в бывшем Советском Союзе. Лаборатория сильных магнитных полей. «Наша работа может стимулировать дальнейшие исследования дисперсии частиц в квантовых жидкостях в будущем».

Соавторами статьи являются Сатоши Юи и Макото Цубота из Осакского столичного университета, Япония, и Хиромичи Кобаяши из Университета Кейо, Япония. Эта бумага была выбрана Письма о физическом обзоре как предложение редакции, обозначение особенно важных, интересных и хорошо написанных статей.