Cercetătorii vizualizează mișcarea vârtejurilor în turbulența cuantică a superfluidelor

O ilustrare care prezintă tuburi cu vortex cuantic supuse unei supra-difuzii aparente. Punctele albe reprezintă particule prinse pe care cercetătorii le-au trasat pentru a vizualiza și urmări mișcarea tuburilor, iar liniile roșii reprezintă modelele aleatorii pe care le-au traversat particulele. Credit: prin amabilitatea lui Wei Guo

Premiul Nobel pentru fizică Richard Feynman a descris odată turbulența drept „cea mai importantă problemă nerezolvată din fizica clasică”.

Înțelegerea turbulenței în fluidele clasice, cum ar fi apa și aerul, este dificilă în parte din cauza provocării de a identifica vârtejurile care se rotesc în interiorul acestor fluide. Localizarea tuburilor vortex și urmărirea mișcării lor ar putea simplifica foarte mult modelarea turbulenței.

Dar această provocare este mai ușoară în fluidele cuantice, care există la temperaturi suficient de scăzute pentru ca mecanica cuantică (care se ocupă cu fizica la scara atomilor sau particulelor subatomice) să le guverneze comportamentul.

Într – un nou studiu publicat în Lucrările Academiei Naționale de Științe, Universitatea de Stat din Florida Cercetătorii au reușit să vizualizeze tuburile vortex într-un fluid cuantic, descoperiri care ar putea ajuta cercetătorii să înțeleagă mai bine turbulența din fluidele cuantice și nu numai.

„Studiul nostru este important nu numai pentru că ne lărgește înțelegerea turbulenței în general, ci și pentru că poate beneficia de studii ale diferitelor sisteme fizice care implică și tuburi vortex, cum ar fi supraconductorii și chiar stelele cu neutroni”, a spus el. Dir Wei Guo, profesor asociat de inginerie mecanică la Colegiul de Inginerie FAMU-FSU și investigator principal al studiului.

Wei Guo și Yuan Tang

Din stânga, Wei Guo, profesor asociat de inginerie mecanică la Colegiul de Inginerie FAMU-FSU, și Yuan Tang, cercetător postdoctoral la Laboratorul Național de Câmp Magnetic Înalt, s-au confruntat cu configurația experimentală. Credit: datorită lui Wei Guo

Echipa de cercetare a studiat superfluul heliu-4, un fluid cuantic care există la temperaturi extrem de scăzute și care poate curge pentru totdeauna printr-un spațiu îngust, fără frecare aparentă.

Echipa lui Guo a examinat particulele de urmărire prinse în vârtejuri și a observat pentru prima dată că, odată cu apariția tuburilor vortexului, acestea s-au deplasat aleatoriu și, în medie, s-au îndepărtat rapid de punctul lor de plecare. Deplasarea acestor trasoare prinse a crescut în timp mult mai repede decât cea a difuziei moleculare regulate, proces cunoscut sub numele de supra-difuzare.

Analiza a ceea ce s-a întâmplat i-a determinat să descopere modul în care s-au schimbat viteza vortexului în timp, ceea ce reprezintă informații importante pentru modelarea statistică a turbulenței cuantice-fluide.

„Supradifuzarea a fost observată în multe sisteme, cum ar fi transportul celular în sisteme biologice și modele de căutare a vânătorilor-culegători umani”, a spus Guo. „O explicație stabilită pentru supra-difuzarea lucrurilor în mișcare aleatorie este că acestea au ocazional deplasări excepțional de lungi, care sunt cunoscute sub numele de zboruri Lévy.”

Dar după ce i-a analizat datele, echipa lui Guo a ajuns la concluzia că supra-difuzarea comploturilor din experimentul său nu a fost cauzată de zborurile lui Lévy. Se întâmpla altceva.

“Am descoperit în cele din urmă că difuzia excesivă pe care am observat-o a fost cauzată de relația dintre vitezele vortexului în momente diferite”, a spus Yuan Tang, cercetător postdoctoral la Laboratorul Național al Câmpului Magnetic și autor al unui articol. „Mișcarea fiecărui segment de vortex părea inițial aleatorie, dar în realitate, viteza unui segment la un moment dat a fost corelată pozitiv cu viteza sa în următoarea instanță. Această observație ne-a permis să descoperim câteva proprietăți statistice generice ascunse ale unei mizeri de haos al vortexului aleatoriu, care ar putea fi utile în mai multe ramuri ale fizicii. “

Spre deosebire de fluidele clasice, tuburile vortex cu heliu-4 superfluid sunt obiecte stabile și bine definite.

„Sunt în esență tornade mici care se învârt într-o furtună haotică, dar cu miezuri goale extrem de subțiri”, a spus Tang. „Nu pot fi văzuți cu ochiul liber, nici măcar cu cel mai puternic microscop”.

„Pentru a rezolva acest lucru, am efectuat experimentele noastre în laboratorul de criogenică, unde am adăugat particule de heliu pentru a le vizualiza”, a adăugat Shiran Bao, cercetător postdoctoral la Laboratorul Național de Câmp Magnetic și autor al lucrărilor.

Cercetătorii au injectat un amestec de deuteriu și heliu gazos în heliul superflu rece. După injectare, gazul deuteriu s-a solidificat și a format mici particule de gheață, pe care cercetătorii le-au folosit ca trasoare de lichide.

„Așa cum tornadele din aer pot aspira frunzele din apropiere, urmăritorii noștri pot de asemenea să fie prinși în tuburile cu vortex de heliu atunci când sunt lângă tuburi”, a spus Guo.

Această tehnică de vizualizare nu este nouă și a fost utilizată de oamenii de știință din laboratoarele de cercetare din întreaga lume, dar descoperirea realizată de acești cercetători a fost de a dezvolta un nou algoritm care să le permită să distingă capcanele prinse de cele care nu au fost.

Referință: „Overdiffusion of quantized vortices discovering scale scale in quantum turbulence” de Yuan Tang, Shiran Bao și Wei Guo, 9 februarie 2021, Lucrările Academiei Naționale de Științe.
DOI: 10.1073 / pnas.2021957118

Cercetarea a fost susținută de Fundația Națională pentru Știință și Departamentul de Energie al SUA. Experimentul a fost efectuat la Laboratorul Național cu Câmp Magnetic Înalt de la Universitatea de Stat din Florida.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Zirconii antici datează începutul tectonicii plăcilor în urmă cu 3,6 miliarde de ani – un eveniment critic pentru a face pământul ospitalier pentru viață

Zirconii examinați de echipa de cercetare, fotografiați cu catodoluminiscență, tehnică cu care echipa a putut vizualiza interiorul cristalelor cu un microscop electronic cu scanare...

Putem face opioidele mai puțin dependente? [Video]

În 2017, milioane de oameni din întreaga lume erau dependenți de opioide și 115.000 au murit din cauza unui supradozaj. Opioidele sunt cele mai puternice...

Măsurile neconvenționale împotriva pandemiei și apărării nucleare pot proteja omenirea de catastrofe catastrofale

Lansarea mânerului SM-3 Block IB de la un crucișător cu rachete ghidate USS Lake Erie (CG 70). Credit: Marina SUA În curând viața pe...

Situl de legare a anticorpilor conservat în variantele de virus COVID-19 – impact mare pentru vaccinurile viitoare

O echipă de cercetare Penn State a descoperit că proteinele N din barza-covi-2 sunt stocate în toate coronavirusurile epidemice legate de îngrășăminte (sus, stânga:...

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Newsletter

Subscribe to stay updated.