Lavtemperaturfysik giver indsigt i turbulens

En ny teknik til at studere hvirvler i kvantevæsker er blevet udviklet af Lancaster -fysikere.

Andrew Guthrie, Sergey Kafanov, Theo Noble, Yuri Pashkin, George Pickett og Viktor Tsepelin, i samarbejde med forskere fra Moscow State University, brugt bittesmå mekaniske resonatorer til at detektere individuelle kvantehvirvler i superfluid helium.

Deres arbejde er udgivet i det aktuelle bind af Naturkommunikation .

Denne forskning i kvante -turbulens er enklere end turbulens i den virkelige verden, som observeres i dagligdags fænomener som f.eks. hurtigt strømmende floder, bølgende stormskyer, eller skorstensrøg. På trods af at det er så almindeligt og findes på alle niveauer, fra galakserne til det subatomare, det er stadig ikke helt forstået.

Fysikere kender de grundlæggende Navier-Stokes ligninger, som styrer strømmen af ​​væsker såsom luft og vand, men på trods af århundreders forsøg, de matematiske ligninger kan stadig ikke løses.

Kvanteturbulens kan give spor til et svar.

Turbulens i kvantevæsker er meget enklere end dens "rodede" klassiske modstykke, og består af identiske enkeltkvantiserede hvirvler, kan tænkes at give en "atomteori" om fænomenet.

Uhjælpeligt, turbulens i kvantesystemer, for eksempel i superfluid helium 4, foregår på mikroskopiske skalaer, og indtil videre har videnskabsmænd ikke haft værktøjer med tilstrækkelig præcision til at sondere så små hvirvler.

Men nu Lancaster-holdet, arbejder ved temperaturer på et par tusindedele af en grad over absolut nul, har udnyttet nanovidenskab til at tillade påvisning af enkelte kvantehvirvler (med kernestørrelser på niveau med atomare diametre) ved at bruge en nanoskala "guitarstreng" i superfluiden.

Hvordan holdet gør det, er at fange en enkelt hvirvel langs længden af ​​"strengen" (en stang på omkring 100 nanometer på tværs). Resonansfrekvensen af ​​stangen ændres, når en hvirvel fanges, og dermed kan fangsten og frigivelsen af ​​hvirvler følges, åbner et vindue ind i den turbulente struktur.

Dr. Sergey Kafanov, der startede denne forskning, sagde:"De udviklede enheder har mange andre anvendelser, hvoraf den ene er at pinge enden af ​​en delvist fanget hvirvel for at studere nanoskala -svingningerne i hvirvelkernen. Forhåbentlig vil undersøgelserne bidrage til vores indsigt i turbulens og kan give fingerpeg om, hvordan man løser disse stædige ligninger."