Naukowcy poszerzają wiedzę na temat propagacji wirów w nadcieczach

Międzynarodowy zespół naukowców, w tym badacze z Florida State University, opracował model przewidujący propagację wirów w tak zwanych supercieczach, co zapewnia nowy wgląd w fizykę rządzącą perturbacjami w układach płynów kwantowych, takich jak nadciekłe gwiazdy neutronowe.

W artykule opublikowanym w fizyczne wiadomości przeglądoweW tym artykule badacze stworzyli model opisujący propagację i prędkość rurek wirowych podobnych do tornado w nadcieczach. Rurki wirowe są głównym składnikiem turbulencji, który był szeroko badany w fizyce klasycznej. Ruch rurek wirowych ma znaczenie w wielu różnych scenariuszach, takich jak powstawanie huraganów, przenoszenie wirusów w powietrzu i mieszanie substancji chemicznych podczas formowania się gwiazd. Ale płyny kwantowe nie są dobrze poznane.

Praca ta stanowi rozwinięcie poprzedniego badania, w którym przedstawiono wyniki eksperymentalne uzyskane w nadciekłym helu-4 w wąskim zakresie temperatur. Nadcieki to płyny, które mogą płynąć bez oporu, a zatem bez utraty energii kinetycznej. Kiedy są mieszane, tworzą wiry, które wirują w nieskończoność.

„Weryfikując ten model i pokazując, że opisuje on ruch wirów w szerokim zakresie temperatur, potwierdzamy, że istnieje globalna podstawa dla tego zjawiska” – powiedział Wei Guo, profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej w FAMU-FSU College of Engineering. . . „To odkrycie może pomóc w opracowaniu zaawansowanych modeli teoretycznych zaburzeń płynów kwantowych”.

w Poprzednie badanieGuo i jego zespół prześledzili rury wirowe, które pojawiły się w nadcieczy helu-4, płynie kwantowym występującym w ekstremalnie niskich temperaturach. W tych badaniach zespół wykorzystał maleńkie cząstki utknięte w wirach do śledzenia ich ruchu. Odkryli, że wiry rozchodzą się znacznie szybciej, niż można by się spodziewać na podstawie pozornie losowego ruchu rur. To szybkie rozprzestrzenianie się znane jest jako superdyfuzja.

W najnowszej pracy naukowcy zbudowali model numeryczny i wykorzystali wyniki swoich wcześniejszych badań do zweryfikowania dokładności modelu poprzez odtworzenie wyników eksperymentalnych. To pozwoliło im przewidzieć, w jaki sposób rurki wirowe będą się formować i rozprzestrzeniać w nadciekach w szerszym zakresie temperatur. Symulacje dostarczyły również rozstrzygających dowodów wspierających mechanizm fizyczny zaproponowany przez autorów w celu wyjaśnienia obserwowanej propagacji superwirów.

Celem badaczy jest poznanie turbulencji w płynach kwantowych pod kątem podstawowych korzyści badawczych, a także potencjalnego wykorzystania w zastosowaniach praktycznych, takich jak wytwarzanie nanoprzewodów. Rurki wirowe przyciągają cząsteczki, które zbijają się w niewiarygodnie cienkie linie. Sterowanie tym procesem umożliwia wytwarzanie tzw. nanodrutów, których grubość mierzona jest w nanometrach.

„Rozpraszanie cząstek w przepływie turbulentnym jest bardzo aktywnym tematem w dziedzinie turbulencji klasycznych, ale poświęca się mu mniej uwagi w społeczności płynów kwantowych” – powiedział współautor Yuan Tang i doktor habilitowany z Narodowego Uniwersytetu FSU. Laboratorium Wysokiego Pola Magnetycznego. „Nasza praca może stymulować dalsze badania nad rozpraszaniem cząstek w płynach kwantowych”.

Współautorami artykułu są Satoshi Yui i Makoto Tsubota z Osaka Metropolitan University w Japonii oraz Hiromichi Kobayashi z Keio University w Japonii. Artykuł ten został wybrany przez Physical Review Letters jako sugestia redaktorów, oznaczenie artykułów uznanych za szczególnie ważne, interesujące i dobrze napisane.

Badania te były wspierane przez Narodową Fundację Nauki i Departament Energii Stanów Zjednoczonych. Dodatkowe zasoby zapewniło Narodowe Laboratorium Wysokiego Pola Magnetycznego na Uniwersytecie Stanowym Florydy, które jest wspierane przez Narodową Fundację Nauki i stan Floryda. Praca ta była również wspierana przez Japońskie Towarzystwo Promocji Nauki.