研究人员将量子超流体湍流中的涡流运动可视化

诺贝尔物理学奖获得者理查德-费曼曾将湍流描述为 经典物理学中最重要的未解决问题。理解像水和空气这样经典流体中的湍流是困难的,部分原因是识别这些流体中漩涡的挑战。定位涡管并跟踪它们的运动可以大大简化湍流的建模。但在量子流体中,这一挑战比较容易,因为量子流体存在于足够低的温度下,量子力学,即处理原子或亚原子粒子尺度上的物理学支配着它们的行为。

在发表在《美国国家科学院院刊》上的一项新研究中,佛罗里达州立大学的研究人员设法将量子流体中的涡管可视化,这些发现可以帮助研究人员更好地理解量子流体及其他方面的湍流。这项研究很重要,不仅因为它拓宽了我们对一般湍流的理解,还因为它可能有利于对各种同样涉及涡管的物理系统研究,比如超导体甚至中子星。

研究团队研究了超流体氦-4,这是一种存在于极低温度下的量子流体,可以在没有明显摩擦力的情况下沿着狭窄的空间永远流动。团队研究了被困在漩涡中的示踪粒子,并首次观察到,随着漩涡管的出现,它们以随机模式移动,平均而言,它们迅速远离起点。这些被困的示踪剂的位移随着时间增加似乎比常规分子扩散速度快得多,这个过程被称为超扩散。

"超扩散已经在许多系统中被观察到,例如生物系统中的细胞运输等等,对于随机移动的事物的超扩散,一个既定的解释是它们偶尔会有特别长的位移,这就是所谓的莱维飞行。但在分析了他们的数据后,团队得出结论,他们实验中示踪剂的超扩散实际上不是由莱维飞行引起的,而是发生了其他的事情。

国家高磁场实验室的博士后研究员、论文作者唐元表示,我们终于弄明白了,我们观察到的超扩散是由不同时间的涡流速度之间的关系引起的,每个涡旋段的运动最初看起来是随机的,但实际上,一个时间段的速度与下一个时间实例的速度是正相关的。这一观察使我们发现了混沌随机涡旋纠缠当中一些隐藏的通用统计特性,这可能在多个物理学分支中有用。

与经典流体中不同的是,超流体氦-4中的涡管是稳定而明确的物体。它们本质上是在混乱的风暴中旋转的微小龙卷风,但具有极薄的空心,你无法用肉眼看到它们,甚至用最强的显微镜也看不到。为了解决这个问题,我们在低温实验室进行了实验,我们在氦气中加入了示踪粒子,以使它们可视化。研究人员将氘气和氦气的混合物注入到冷的超流体氦气中。注入后,氘气凝固并形成微小的冰颗粒,研究人员将其作为液体中的示踪剂。

这种可视化技术并不新鲜,科学家们已经在世界各地的研究实验室中使用过,但这些研究人员取得的突破是开发了一种新的算法,使他们能够区分涡旋管上的示踪剂和未被捕获的示踪剂。

相关新闻

    推荐阅读