Vědci vizualizují pohyb vírů v kvantové supratekuté turbulenci

Obrázek ukazuje kvantové vírové trubice, které podléhají zjevné superdifúzi. Bílé tečky představují zachycené částice, které vědci sledovali, aby vizualizovali a sledovali pohyb trubic, a červené čáry představují náhodné vzory, kterými částice cestovaly. Fotografický kredit: s laskavým svolením Wei Guo

Laureát Nobelovy ceny za fyziku Richard Feynman jednou popsal turbulence jako „nejdůležitější nevyřešený problém v klasické fyzice“.

Pochopení turbulence v klasických tekutinách, jako je voda a vzduch, je částečně obtížné kvůli výzvě identifikovat víry vířící v těchto tekutinách. Umístění vírových trubic a sledování jejich pohybu by mohlo modelování turbulencí mnohem usnadnit.

Tato výzva je však jednodušší u kvantových tekutin, které existují při tak nízkých teplotách, že jejich chování určuje kvantová mechanika – která se zabývá fyzikou v měřítku atomů nebo subatomárních částic.

V nové studii publikované v Postup Národní akademie věd, Florida State University Vědcům se podařilo vizualizovat vírové trubice v kvantové tekutině. Tato zjištění by mohla vědcům pomoci lépe porozumět turbulencím v kvantových tekutinách i mimo ně.

„Naše studie je důležitá nejen proto, že rozšiřuje naše chápání turbulence obecně, ale také proto, že by mohla být přínosem pro studium různých fyzikálních systémů, které také zahrnují vírové trubice, jako jsou supravodiče a dokonce i neutronové hvězdy,“ řekl Wei Guo, jeden docent of Mechanical Engineering at FAMU-FSU College of Engineering and major researcher of the study.

Wei Guo a Yuan Tang

Zleva Wei Guo, docent strojního inženýrství na FAMU-FSU College of Engineering, a Yuan Tang, postdoktorand v National High Magnetic Field Laboratory, před experimentálním uspořádáním. Fotografický kredit: s laskavým svolením Wei Guo

Výzkumný tým zkoumal superfluidní helium-4, kvantovou kapalinu, která existuje při extrémně nízkých teplotách a může navždy proudit úzkým prostorem bez zjevného tření.

Guoův tým zkoumal sledovací částice zachycené ve vírech a poprvé zjistil, že vířivé trubice se pohybovaly v náhodném vzoru, jak se objevily, a v průměru rychle ustoupily ze svého výchozího bodu. Zdálo se, že přemístění těchto zachycených indikátorů v průběhu času rostlo mnohem rychleji než běžná molekulární difúze – proces známý jako superdifúze.

Analýza toho, co se stalo, je vedla k tomu, aby zjistili, jak se vírové rychlosti v průběhu času měnily. To je důležitá informace pro statistické modelování turbulence kvantové tekutiny.

„Superdifúze byla pozorována v mnoha systémech, jako je buněčný transport v biologických systémech a způsoby vyhledávání lidských lovců a sběračů,“ řekl Guo. „Jedno zavedené vysvětlení superdifúze pro věci, které se pohybují náhodně, je to, že občas mají výjimečně dlouhé posuny známé jako Lévyho lety.“

Po analýze jejich údajů však Guův tým dospěl k závěru, že superdifúze stopovacích látek v jejich experimentu nebyla ve skutečnosti způsobena Lévyho lety. Stalo se něco jiného.

„Nakonec jsme zjistili, že pozorovaná superdifúze byla způsobena vztahem mezi rychlostmi vírů v různých dobách,“ řekl Yuan Tang, postdoktorand z National High Magnetic Field Laboratory a autor papíru. “Pohyb každého vírového segmentu se zpočátku zdál náhodný, ale ve skutečnosti rychlost jednoho segmentu v jednom časovém bodě pozitivně korelovala s jeho rychlostí v dalším.” Toto pozorování nám umožnilo odhalit některé skryté obecné statistické vlastnosti chaotického náhodného víru, které by mohly být užitečné v několika oblastech fyziky. “

Na rozdíl od klasických kapalin jsou vírové trubice v superfluidním heliu-4 stabilní a dobře definované objekty.

„Jsou to v podstatě malá tornáda, která víří v chaotické bouři, ale s extrémně tenkými dutými jádry,” řekl Tang. „Neuvidíte je pouhým okem, ani nejmocnějším mikroskopem.”

„Abychom to vyřešili, provedli jsme naše experimenty v kryogenické laboratoři, kde jsme přidali sledovací částice v heliu, abychom je zviditelnili,“ dodal Shiran Bao, postdoktorand v National High Magnetic Field Laboratory a autor článku.

Vědci vstříkli do studeného supratekutého helia směs deuteriového plynu a plynného helia. Po injekci plyn deuteria ztuhl a vytvořil drobné ledové částice, které vědci použili jako stopovací látky v kapalině.

„Stejně jako tornáda ve vzduchu mohou nasávat nedaleké listí, tak se mohou také naše stopovací látky v heliu zachytit o vírové trubice v heliu,“ řekl Guo.

Tato vizualizační technika není nová a používají ji vědci ve výzkumných laboratořích po celém světě. Průlomem pro tyto vědce však bylo vyvinout nový algoritmus, který by jim umožnil odlišit stopovací látky zachycené na obratlích od těch, které nejsou zachyceny.

Odkaz: „Superdifúze kvantovaných vírů, které odhalují zákonitosti škálování v kvantové turbulenci“, Yuan Tang, Shiran Bao a Wei Guo, 9. února 2021, Postup Národní akademie věd.
DOI: 10,1073 / pnas.2021957118

Její výzkum podpořila National Science Foundation a americké ministerstvo energetiky. Experiment byl proveden v Národní laboratoři vysokého magnetického pole na Florida State University.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Houby mohou léčit bakterie a obohatit půdu o živiny

Aeroskulární mykorhizní houby se rozprostírají přes dlouhé vláknité struktury zvané krásně až k zemi. Krásy, menší než lidské vlasy, lze vidět mezi kořeny...

Světlo zapíná barvy a vzory objektů

Nový systém využívá ultrafialové světlo, které se promítá na objekty natřené barvou aktivující světlo, ke změně reflexních vlastností barvy a vytváření obrazů během několika...

Ne! Je pravděpodobnější, že žádosti o půjčku zpracované kolem poledne budou zamítnuty

Úředníci bankovních půjček pravděpodobněji budou schvalovat žádosti o půjčky dříve a později během dne, zatímco „únava z rozhodování“ kolem poledne je spojena s nedodržováním...

Náročné modely před oddělením v Bothnian Bay

19. dubna 2021 Mořský led na severu Baltského moře vykazuje některé přesvědčivé vzory, než se na jaře roztaví a setře. Na rozdíl od mořského ledu, který...

Výjimečná biologická rozmanitost ve 14,7 milionu let starém tropickém deštném pralese a osvětluje vývoj

Ekologická rekonstrukce bioty Zhangpu. Obrazový kredit: NIGPAS Nově objevený miocénní biom osvětluje vývoj deštného pralesa Mezinárodní výzkumná skupina vedená profesorem WANG Bo a profesorem SHI...

Newsletter

Subscribe to stay updated.