Ingeniørforskere visualiserer hvirvelers bevægelse i superfluid turbulens

Nobelpristager i fysik Richard Feynman beskrev engang turbulens som "det vigtigste uløste problem med klassisk fysik."

At forstå turbulens i klassiske væsker som vand og luft er svært dels på grund af udfordringen med at identificere hvirvlerne, der hvirvler inden for disse væsker. Lokalisering af hvirvelrør og sporing af deres bevægelse kan i høj grad forenkle modelleringen af ​​turbulens.

Men den udfordring er lettere i kvantevæsker, som eksisterer ved lave nok temperaturer til, at kvantemekanik - der beskæftiger sig med fysik på skalaen af ​​atomer eller subatomære partikler - styrer deres adfærd.

I en ny undersøgelse offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences , Florida State University forskere formåede at visualisere hvirvelrørene i en kvantevæske, fund, der kunne hjælpe forskere med bedre at forstå turbulens i kvantevæsker og videre.

"Vores undersøgelse er vigtig, ikke kun fordi den udvider vores forståelse af turbulens generelt, men også fordi det kunne gavne undersøgelser af forskellige fysiske systemer, der også involverer hvirvelrør, såsom superledere og endda neutronstjerner, "sagde Wei Guo, en lektor i maskinteknik ved FAMU-FSU College of Engineering og undersøgelsens hovedforsker.

Forskergruppen undersøgte superfluid helium-4, en kvantevæske, der eksisterer ved ekstremt lave temperaturer og for evigt kan strømme ned ad et smalt rum uden tilsyneladende friktion.

Guos team undersøgte sporstofpartikler fanget i hvirvlerne og observerede for første gang, at som hvirvelrør dukkede op, de bevægede sig i et tilfældigt mønster og gennemsnitlig, hurtigt flyttet væk fra deres udgangspunkt. Forskydningen af ​​disse fangede sporstoffer syntes at stige med tiden meget hurtigere end ved almindelig molekylær diffusion - en proces kendt som superdiffusion.

Ved at analysere, hvad der skete, fik de til at opdage, hvordan hvirvelhastighederne ændrede sig over tid, som er vigtig information til statistisk modellering af kvante-væske-turbulens.

"Superdiffusion er blevet observeret i mange systemer, såsom celletransport i biologiske systemer og søgemønstre hos menneskelige jæger-samlere, "Guo sagde." En etableret forklaring på superdiffusion for ting, der bevæger sig tilfældigt, er, at de lejlighedsvis har usædvanligt lange forskydninger, som er kendt som Lévy -flyvninger. "

Men efter at have analyseret deres data, Guos team konkluderede, at superdiffusionen af ​​sporstofferne i deres eksperiment faktisk ikke var forårsaget af Lévy -flyvninger. Noget andet skete.

"Vi fandt endelig ud af, at den superdiffusion, vi observerede, var forårsaget af forholdet mellem hvirvelhastighederne på forskellige tidspunkter, "sagde Yuan Tang, en postdoktor ved National High Magnetic Field Laboratory og en papirforfatter. "Bevægelsen af ​​hvert virvel -segment syntes i første omgang at være tilfældig, men faktisk, hastigheden af ​​et segment på et tidspunkt var positivt korreleret med dets hastighed ved det næste tidspunkt. Denne observation har givet os mulighed for at afdække nogle skjulte generiske statistiske egenskaber ved en kaotisk tilfældig hvirvelstrøm, som kunne være nyttig i flere fysiske grene. "

I modsætning til i klassiske væsker, hvirvelrør i superfluid helium-4 er stabile og veldefinerede objekter.

"De er i det væsentlige små tornadoer, der hvirvler i en kaotisk storm, men med ekstremt tynde hule kerner, "Sagde Tang." Du kan ikke se dem med det blotte øje, ikke engang med det stærkeste mikroskop. "

"For at løse dette, vi udførte vores eksperimenter i cryogenics lab, hvor vi tilføjede sporstofpartikler i helium for at visualisere dem, "tilføjede Shiran Bao, en postdoktor ved National High Magnetic Field Laboratory og en papirforfatter.

Forskerne injicerede en blanding af deuteriumgas og heliumgas i det kolde superflydende helium. Efter injektion, deuteriumgassen størknet og dannede små ispartikler, som forskerne brugte som sporstoffer i væsken.

"Ligesom tornadoer i luften kan suge i nærheden af ​​blade, vores sporstoffer kan også blive fanget på hvirvelrørene i helium, når de er tæt på rørene, "Sagde Guo.

Denne visualiseringsteknik er ikke ny og er blevet brugt af forskere i forskningslaboratorier verden over, men det gennembrud, disse forskere fik, var at udvikle en ny algoritme, der tillod dem at skelne sporstoffer fanget på hvirvler fra dem, der ikke var fanget.