Forskere udvider forståelsen af ​​vortexspredning i supervæsker

Et internationalt hold af videnskabsmænd med forskere fra Florida State University har udviklet en model, der forudsiger spredningen af ​​hvirvler i såkaldte superfluider, arbejde, der giver ny indsigt i den fysik, der styrer turbulens i kvantevæskesystemer såsom superfluid-neutronstjerner.

I et papir offentliggjort i Physical Review Letters , skabte forskerne en model, der beskriver spredningen og hastigheden af ​​tornado-lignende hvirvelrør i supervæsker. Vortexrør er en nøgleingrediens i turbulens, som er meget studeret i klassisk fysik. Bevægelsen af ​​hvirvelrør er relevant i en lang række scenarier, såsom dannelsen af ​​orkaner, luftbåren transmission af vira og den kemiske blanding i stjernedannelse. Men det er dårligt forstået i kvantevæsker.

Dette arbejde udvider på en tidligere undersøgelse, der rapporterede eksperimentelle resultater opnået i superfluid helium-4 inden for et snævert temperaturområde. Supervæsker er væsker, der kan strømme uden modstand, og derfor uden tab af kinetisk energi. Når de røres, danner de hvirvler, der roterer i det uendelige.

"Ved at validere denne model og vise, at den beskriver bevægelsen af ​​hvirvler ved en lang række temperaturer, bekræfter vi en universel regel for dette fænomen," sagde Wei Guo, lektor i maskinteknik ved FAMU-FSU College of Engineering . "Denne opdagelse kan hjælpe med udviklingen af ​​avancerede teoretiske modeller for kvantevæsketurbulens."

I den tidligere undersøgelse sporede Guo og hans team hvirvelrørene, der dukkede op i superfluid helium-4, en kvantevæske, der eksisterer ved ekstremt lave temperaturer. I den forskning brugte holdet små partikler, der blev fanget i hvirvlerne til at spore deres bevægelse. De fandt ud af, at hvirvlerne spredte sig meget hurtigere, end man kunne forvente baseret på rørenes tilsyneladende tilfældige bevægelse. Denne hurtige spredning er kendt som superdiffusion.

I det seneste arbejde byggede forskerne en numerisk model og brugte resultater fra deres tidligere undersøgelse til at validere modellens nøjagtighed ved at gengive eksperimentelle resultater. Det gjorde det muligt for dem at forudsige, hvordan hvirvelrør kunne dannes og spredes inden for supervæsker ved et bredere temperaturområde. Simuleringen frembragte også utvetydige beviser, der understøtter den fysiske mekanisme, som forfatterne foreslog for at forklare den observerede hvirvelsuperdiffusion.

Forskere sigter mod at forstå turbulens i kvantevæsker for de grundlæggende forskningsmæssige fordele såvel som for mulig brug i praktiske anvendelser, såsom fremstilling af nanotråde. Vortexrør tiltrækker partikler, der grupperer sig i utroligt tynde linjer. Styring af denne proces giver mulighed for fremstilling af såkaldte nanotråde, som har en tykkelse målt i nanometer.

"Partikelspredning i turbulent strømning er et meget aktivt emne inden for det klassiske turbulensfelt, men det har fået mindre opmærksomhed i kvantevæskesamfundet," sagde Yuan Tang, en co-lead forfatter og en postdoc-forsker ved FSU-hovedkvarteret National Laboratorium med højt magnetfelt. "Vores arbejde kan stimulere mere fremtidig forskning om partikelspredning i kvantevæsker."

Paper medforfattere omfatter Satoshi Yui og Makoto Tsubota fra Osaka Metropolitan University, Japan, og Hiromichi Kobayashi fra Keio University, Japan. Dette papir blev udvalgt af Physical Review Letters som redaktørforslag. + Udforsk yderligere

Ingeniørforskere visualiserer bevægelsen af ​​hvirvler i superfluid turbulens