Vortex -hatte dukker op i superfluider

, En australsk ledet undersøgelse har givet ny indsigt i adfærden af ​​roterende supervæsker.

Et afgørende træk ved superfluider er, at de udviser kvantificerede hvirvler - de kan kun rotere med én, eller to, eller en anden heltal mængde af rotation.

På trods af denne vigtige forskel fra klassiske væsker, hvor hvirvler kan dreje med enhver styrke, mange træk ved vorternes kollektive dynamik i både klassiske og kvantevæsker er ens.

Imidlertid, i denne undersøgelse demonstrerer FLEET-holdet ved University of Queensland en markant forskel i adfærden mellem klassiske og kvantevæsker. Forfatterne betragter udvidelsen af ​​hvirvelklynger for at vise, at for ethvert indledende arrangement af kvantiserede hvirvler, en "Rankine" super-hvirvel vil dannes.

"Adfærden af ​​mange hvirvler i en superfluid er ofte kaotisk og vanskelig at beskrive teoretisk, " forklarer hovedforfatter Oliver Stockdale. "Vores undersøgelse overvinder denne udfordring ved at give en nøjagtig løsning på hvirveldynamikken."

Løsningen viser, at en klynge af chirale hvirvler (hvirvler, som alle spinder i samme retning) udvider sig for at danne en konstant tæthedsfordeling, der har en form, der ligner en tophat. En sådan fordeling af hvirvler, kendt som en Rankine hvirvel, er forbudt i klassiske væsker på grund af deres viskositet.

Hvorfor alle superfluider i sidste ende bliver Rankine -distributioner

"Supervæsker har nul viskositet og kan understøtte en Rankine-hvirvel, " forklarer Oliver. "Det slående resultat af denne opdagelse er, at alle indledende fordelinger af hvirvler, uanset hvordan de er arrangeret, udvider sig til at danne en Rankine-hvirvel. Denne langtidsækvivalente adfærd er kendt som den universelle dynamik og demonstrerer mekanismen for, hvordan en superfluid spreder sin energi via kvantiserede hvirvler."

Forfatterne anvender en nyligt udviklet teori, der beskriver hvirvlerne selv som en væske.

"Ligesom hydrodynamik beskriver adfærden af ​​mange væskepartikler, det kan bruges til at beskrive bevægelsen af ​​mange hvirvler, som danner en 'hvirvelvæske' i den almindelige væske, " siger medforfatter Matt Reeves.

"Imidlertid, hvirvelvæsken udviser yderligere "unormale" spændinger; disse ekstra kræfter opstår på grund af hvirvlernes natur, der begrænser deres rotation til at blive kvantificeret. De unormale udtryk giver usædvanlig flydende adfærd, inklusive en viskositet, som er negativ. I det væsentlige, den negative viskositet forårsager den stik modsatte adfærd til en normal, klassisk væske - det gør vortex-densitetsgradienterne stejlere, indtil fordelingen bliver en Rankine-hvirvel." Et eksempel på udvidelse inden for hvirvelvæsketeori kan ses i fig. 1, hvor en oprindeligt uensartet hvirvelvæske udvider sig til at danne en Rankine-hvirvel.

For at understøtte deres teoretiske resultater, forfatterne simulerer dynamikken i tusindvis af hvirvler ved beregning. I modsætning til at beskrive hvirvlerne som en væske, disse simuleringer betragter hver hvirvel som en individuel enhed. Ligesom med vortex-væsketeorien, Forfatterne finder, at enhver indledende hvirvelfordeling udvider sig til at danne en Rankine-hvirvel. Et eksempel på det numeriske resultat kan ses i fig. 2, hvor en Gauss-initialfordeling udvides til at danne en Rankine-hvirvel.

Endelig, forfatterne analyserede data fra et eksperiment, der observerede udvidelsen af ​​en hvirvelklynge i en rigtig supervæske, som blev skabt ved hjælp af ultrakolde rubidium atomer.

"Mens vortex-væsketeorien antager, at der er mange hvirvler til stede, eksperimentet kunne kun skabe cirka elleve hvirvler. På trods af det lave hvirveltal, der var tegn på, at Rankine-hvirvelen opstod efter klyngen ekspanderede, " forklarer projektleder prof Matthew Davis. De eksperimentelle hvirvler kan ses i fig. 3, som fremhævet af de hvide cirkler.

Ikke alene viste denne undersøgelse den første løsning på den komplicerede hvirvelvæsketeori, det gav teoriens første eksperimentelle test. Eksperimentet forudsagde kvantitativt nøgletræk ved teorien og demonstrerede en platform til yderligere at teste egenskaberne af Rankine-hvirvelen, såsom forudsigelser om, at det understøtter en analog fraktionskvante Hall-effekt.

Hvirvler er et allestedsnærværende fænomen i superfluidsystemer. At arbejde hen imod FLEETs mål om at producere en ultraeffektiv superfluid transistor, der er behov for en mere fuldstændig forståelse af, hvordan hvirvler opfører sig i strømmende supervæsker. Denne undersøgelse fra FLEET-teamet er et skridt hen imod en sådan transistor.

Papiret, "Universal dynamik i udvidelsen af ​​hvirvelklynger i en dissipativ todimensionel superfluid, " blev offentliggjort i Physical Review Research i juli 2020.