Совершен прорыв в понимании квантовой турбулентности

Исследователи показали, как энергия исчезает в квантовой турбулентности, что открывает путь к лучшему пониманию турбулентности в масштабах от микроскопических до планетарных.

Доктор Самули Аутти из Ланкастерского университета является одним из авторов нового исследования квантовой волновой турбулентности совместно с исследователями из Университета Аалто.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Physics, демонстрируют новое понимание того, как волнообразное движение переносит энергию с макроскопических на микроскопические расстояния, и их результаты подтверждают теоретическое предсказание о том, как энергия рассеивается на малых масштабах.

Доктор Аути сказал:

Это открытие станет краеугольным камнем физики больших квантовых систем.

Квантовую турбулентность в больших масштабах — например, турбулентность вокруг движущихся самолетов или кораблей — трудно смоделировать. В малых масштабах квантовая турбулентность отличается от классической турбулентности тем, что турбулентный поток квантовой жидкости ограничен вокруг линейных центров потока, называемых вихрями, и может принимать только определенные, количественные значения.

Благодаря такой гранулярности квантовую турбулентность значительно легче отразить в теории, и обычно считается, что освоение квантовой турбулентности поможет физикам понять и классическую турбулентность.

В будущем более глубокое понимание турбулентности, начиная с квантового уровня, может позволить улучшить инженерные решения в областях, где поток и поведение жидкостей и газов, таких как вода и воздух, является ключевым вопросом.

Ведущий автор исследования доктор Йере Мякинен из Университета Аалто сказал:

Наше исследование основных структурных элементов турбулентности может помочь указать путь к лучшему пониманию взаимодействия между различными масштабами длины в турбулентности.

Понимание этого в классических жидкостях поможет нам сделать такие вещи, как улучшение аэродинамики транспортных средств, более точное предсказание погоды или управление потоками воды в трубах. Существует огромное количество потенциальных реальных применений для понимания макроскопической турбулентности.

Доктор Аути сказал, что квантовая турбулентность является сложной проблемой для ученых.

В экспериментах образование квантовой турбулентности вокруг одного вихря оставалось неуловимым в течение десятилетий, несмотря на то, что целая область физиков, работающих над квантовой турбулентностью, пыталась найти ее. Сюда входят люди, работающие над сверхтекучими жидкостями и квантовыми газами, такими как атомные конденсаты Бозе-Эйнштейна (BEC). Теоретический механизм, лежащий в основе этого процесса, известен как каскад волн Кельвина.

В настоящей рукописи мы показываем, что этот механизм существует и работает так, как теоретически предполагалось. Это открытие станет краеугольным камнем физики больших квантовых систем.

Группа исследователей под руководством старшего научного сотрудника Владимира Ельцова изучала турбулентность в изотопе гелия-3 в уникальном вращающемся ультранизкотемпературном холодильнике в Лаборатории низких температур в Аалто. Они обнаружили, что на микроскопических масштабах так называемые волны Кельвина действуют на отдельные вихри, постоянно перебрасывая энергию на все более мелкие масштабы, что в конечном итоге приводит к масштабу, на котором происходит диссипация энергии.

Доктор Йере Мякинен из Университета Аалто сказал:

Вопрос о том, как энергия исчезает из квантованных вихрей при сверхнизких температурах, имеет решающее значение для изучения квантовой турбулентности. Наша экспериментальная установка — это первый случай, когда теоретическая модель волн Кельвина, передающих энергию диссипативным масштабам длины, была продемонстрирована в реальном мире.

Следующая задача команды — манипулировать одним квантованным вихрем с помощью наноустройств, погруженных в сверхтекучую жидкость.

16.03.2023