Международное сотрудничество учёных из Инженерного колледжа FAMU-FSU и Национальной лаборатории высокого магнитного поля позволило открыть фундаментальный универсальный принцип, управляющий взаимодействием, столкновением и трансформацией микроскопических водоворотов в квантовых жидкостях. Это открытие имеет значение для понимания жидкостей, подчиняющихся классической физике.
Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences
В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, представлены новые данные о динамике вихрей в сверхтекучем гелии — удивительной жидкости, которая демонстрирует поток с нулевым сопротивлением при температурах, близких к абсолютному нулю.
Учёные выяснили, что при пересечении и воссоединении квантовые вихри разделяются быстрее, чем их начальная скорость сближения, создавая всплески энергии, которые характеризуют турбулентность как в квантовых, так и в классических жидкостях.
Профессор Инженерного колледжа FAMU-FSU Вэй Го, соавтор исследования, сказал: «Сверхтекучие жидкости предлагают уникальный взгляд на турбулентность. Мы начинаем понимать универсальную физику, которая связывает квантовый и классический миры, и это захватывающая перспектива как для науки, так и для технологий».
Сверхтекучий гелий — одно из самых необычных состояний вещества в природе
При охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, это уникальное вещество выходит за рамки обычного поведения жидкостей, течёт без трения, противостоит гравитации, взбираясь по стенкам контейнеров, и с лёгкостью преодолевает микроскопические барьеры.
В отличие от обычных жидкостей, которые могут свободно завихряться, сверхтекучий гелий ограничивает всё вращательное движение квантованными вихрями — ультратонкими полыми трубками, которые поддерживают точно фиксированные количества циркуляции, определяемые квантово-механическими принципами.
«Эти вихри подобны микроскопическим торнадо, — говорит Го. — Каждый из них несёт точное количество циркуляции, определяемое квантовой механикой. Они топологически защищены, что означает их удивительную стабильность и лёгкость отслеживания по сравнению с вихрями в обычных жидкостях».
Эта исключительная стабильность превращает квантовые структуры в мощные инструменты для изучения турбулентности — одного из самых сложных и хаотичных явлений в физике, которое влияет на всё: от аэродинамики самолётов до моделей океанических течений.
Команда Го вместе с коллегами из Великобритании и Франции провела визуализацию высокого разрешения и вычислительное моделирование, которые выявили фундаментальные закономерности поведения сталкивающихся квантовых вихрей. Их выводы устанавливают универсальный физический закон, управляющий взаимодействием вихрей в различных типах жидкостей и диапазонах температур.
Как проводилось исследование
Исследователи ввели крошечные замороженные частицы дейтерия — изотопа водорода — в сверхтекучий гелий, чтобы сделать невидимые квантовые вихри видимыми. Затем они использовали лазерный лист и высокоскоростную камеру, чтобы зафиксировать движение и воссоединение этих вихрей.
«Мы обнаружили, что после воссоединения вихри всегда расходятся быстрее, чем они сближались, — сказал Го. — Эта временная асимметрия, или необратимость, оказывается фундаментальным свойством того, как энергия движется в жидкостях, будь то квантовые или классические».
Каждое событие воссоединения генерировало внезапные всплески энергии, которые распространялись по всей окружающей жидкой среде, создавая волнообразные эффекты, сравнимые с волнами, которые посылают сердечные ритмы по воде. Когда несколько воссоединений происходят одновременно в сложных вихревых сетях, эти скоординированные выбросы энергии могут вызывать особые формы квантовой турбулентности с уникальными характеристиками, которые не наблюдаются в классических жидкостях.
Хотя квантовые вихри существуют исключительно в экзотических материалах, таких как сверхтекучий гелий, их поведенческие паттерны отражают фундаментальные принципы, управляющие вихрями в обычных жидкостях, включая воздух и воду. Это сходство позволяет исследованиям квантовой сверхтекучести дать представление о классических механизмах.
«Изучая эти хорошо управляемые и легко наблюдаемые квантовые вихри, мы получаем ценную информацию об основополагающей природе турбулентности», — объясняет Имин Син, постдокторант в группе Го. «Это понимание однажды может помочь нам разработать более эффективные двигатели, оптимизировать передачу энергии в квантовых системах или даже улучшить модели прогнозирования погоды».
Это преобразующее исследование демонстрирует силу международного научного сотрудничества, объединяющего такие учреждения, как Университет Ньюкасла и Ланкастерский университет в Великобритании, Университет Коте д’Азур во Франции и Институт вычислительных приложений Мауро Пиконе — Национальный исследовательский совет в Италии, наряду с исследовательскими группами в FAMU-FSU.
Предоставлено Флоридским государственным университетом.