Ingeniørforskere udvikler ny forklaring på dannelse af hvirvler i 2D -superfluid

Forskere ved FAMU-FSU College of Engineering og National High Magnetic Field Laboratory har ny indsigt i dannelsen af ​​hvirvler i en type kvantevæske, arbejde, der kunne hjælpe vores forståelse af fysikmysteriet om, hvordan hvirvelklynger dannes og give værdifuld forståelse for den atmosfæriske hvirvlende bevægelse på planeter som Jorden og Jupiter.

Forskerne afslørede en alternativ forklaring på dannelsen af ​​såkaldte Onsager-hvirvler i et todimensionalt supervæske, en type kvantevæske, der kan flyde uden friktion. Deres resultater blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

"Dette fund giver os en ny forklaring på, hvordan disse hvirvler kan dannes og er et vigtigt skridt i retning af at fortsætte med at forbedre vores forståelse af kvantefysik, "sagde Wei Guo, lektor i maskinteknik og hovedforsker af undersøgelsen.

I 1949, Nobelpristageren Lars Onsager foreslog en simpel teori om vores forståelse af den hvirvlende bevægelse i turbulente 2D -væsker, som er væsker begrænset til at bevæge sig i et todimensionalt rum.

Onsagers teori siger, at når der konstant tilføres energi til en 2D turbulent væske med kaotiske små hvirvler (formelt kaldet hvirvler), de hvirvler, der roterer i samme retning, ville samle sig for at danne vedvarende hvirvler i stor skala, når energien er tilstrækkelig høj. Disse klynger eller storskala hvirvler er kendt som "Onsager virvler." Jupiters store røde plet er et godt eksempel.

"Onsagers teori kræver, at der tilsættes energi til 2D -væsken, "Sagde Guo." Dog, nylige publikationer afslørede, at i 2D Bose-Einstein-kondensater (BEC'er), Onsager -hvirvler kan optræde spontant uden energitilførsel. Vi satte os for at foretage flere undersøgelser af disse overraskende resultater. "

BEC er en materiel tilstand, hvor identiske atomer eller molekyler er begrænset af en laser eller magnetisk fælde og afkøles til næsten absolut nul. Partiklerne i BEC -staten indtager det samme kvantemekaniske energiniveau og kan udvise overskydende adfærd, såsom at flyde uden det tilsyneladende tab af kinetisk energi og rotere omkring små hule rør kaldet hvirvelrør. Med en passende fælde, en BEC kan begrænses til at have en quasi-2D diskform, det er, en form med en lille tykkelse, men en stor radius. Hvirvelrørene i en 2D BEC fremstår som små spidsvirvler, som kan tjene som et ideelt testbed for Onsagers teori.

"En godt accepteret forklaring på det spontane udseende af Onsager-hvirvler i 2D-disk BEC'er er den fordampende opvarmningsmekanisme, "Guo sagde." Denne mekanisme refererer til, hvad fysikere kalder hvirveludslettelse, hvilket er, når et virvelpar med modsatte rotationer smelter sammen og forsvinder, ligesom en positiv ladning neutraliserer med en negativ ladning. "

"Når hvirvlerne tilintetgør, energien pr. hvirvel stiger, hvilket fører til dannelsen af ​​Onsager hvirvler, "sagde Toshiaki Kanai, en forskerstuderende, der arbejder med Guo på National High Magnetic Field Laboratory.

Imidlertid, i en numerisk simulering udført af Kanai og Guo, mens de studerede den turbulente hvirvlende bevægelse i 2D, med BEC'er begrænset til overfladen af ​​en kugle, de fandt ud af, at Onsager -hvirvler aldrig blev dannet på trods af hvirvelparrenes tilintetgørelse. Forskerne gennemførte derefter en sammenlignende undersøgelse af hvirveldynamikken i både disk -BEC'er og sfæriske skal -BEC'er.

"Vi fandt endelig ud af, at den spontane dannelse af Onsager-hvirvler ikke skyldes den vel accepterede fordampningsopvarmningsmekanisme, "Guo sagde." Den sande mekanisme er at hvirvlerne forlader 2D BEC -grænsen. "

Disken BEC har en omkreds, hvor hvirvlerne kan forlade, mens den sfæriske skal BEC ikke har nogen grænser. Derfor, Onsager -hvirvler observeres kun i diskens BEC'er, men ikke i de sfæriske BEC -skaller, ifølge forskerne.

"At identificere den sande mekanisme til spontan dannelse af Onsager -hvirvler i 2D BEC'er repræsenterer et stort fremskridt i vores forståelse af 2D -superfluidturbulens, "Guo sagde." Vores fund om punktvirvlerne på en kugle kan repræsentere en konceptuelt interessant model af en planetarisk atmosfære, og disse fund kan testes eksperimentelt på NASAs rumlaboratorium. "

NASA har for nylig installeret et koldatomlaboratorium på den internationale rumstation, hvilket har gjort det muligt at producere BEC'er i sfærisk skalgeometri. Fremtidige eksperimentelle undersøgelser i nul tyngdekraft kan hjælpe med at fremme videnskaben på dette område.