Hvordan måling af Reynolds-lignelse i supervæsker kunne hjælpe med at påvise eksistensen af ​​kvanteviskositet

Hver væske - fra Jordens atmosfære til blod, der pumper gennem den menneskelige krop - har viskositet, en kvantificerbar egenskab, der beskriver, hvordan væsken vil deformeres, når den støder på et andet stof. Hvis viskositeten er højere, flyder væsken roligt, en tilstand kendt som laminær. Hvis viskositeten falder, gennemgår væsken overgangen fra laminær til turbulent strømning.

Graden af ​​laminær eller turbulent strømning omtales som Reynolds-tallet, som er omvendt proportional med viskositeten. Reynolds lov om dynamisk lighed, også kendt som Reynolds lighed, siger, at hvis to væsker flyder rundt i lignende strukturer med forskellig længdeskala, er de hydrodynamisk identiske, forudsat at de udviser det samme Reynolds-tal.

Imidlertid anvendes denne Reynolds-lignelse ikke på kvantesupervæsker, da de ikke har viskositet - det er i hvert fald, hvad forskere har troet. Nu har en forsker fra Nambu Yoichiro Institute of Theoretical and Experimental Physics ved Osaka Metropolitan University i Japan teoretiseret en måde at undersøge Reynolds-lignelsen i supervæsker, som kunne påvise eksistensen af ​​kvanteviskositet i superfluider.

Dr. Hiromitsu Takeuchi, en underviser ved Graduate School of Science ved Osaka Metropolitan University, offentliggjorde sin tilgang i Physical Review B .

"Superfluider har længe været betragtet som en åbenlys undtagelse fra Reynolds-lignelsen," sagde Dr. Takeuchi og forklarede, at Reynolds-lignelsesloven siger, at hvis to strømme har det samme Reynolds-nummer, så er de fysisk identiske. "Begrebet kvanteviskositet vælter den sunde fornuft af superfluidteori, som har en lang historie på mere end et halvt århundrede. Etablering af lighed i superfluider er et væsentligt skridt til at forene klassisk og kvantehydrodynamik."

Imidlertid kan kvantesupervæsker have turbulens, hvilket resulterer i et kvanteproblem:Turbulens i væsker kræver dissipation, så hvordan kan superfluid turbulens opleve dissipation uden viskositet? De skal have dissipation og kan følge Reynolds-lignelsen, men den rigtige tilgang til at undersøge det var endnu ikke blevet udviklet.

Disse karakteristika kunne undersøges, teoretiserer Dr. Takeuchi, ved at analysere, hvordan en fast kugle falder ind i en supervæske. Ved at kombinere den terminale hastighed af kuglens fald med den modstand kuglen møder fra væsken, når den falder, kan forskere bestemme en analog til Reynolds-lignelsen. Det betyder, at effektiv viskositet, kaldet kvanteviskositeten, kan måles.

"Denne undersøgelse fokuserer på et teoretisk problem i forståelsen af ​​kvanteturbulens i supervæsker og viser, at Reynolds-lignelsen i supervæsker kan verificeres ved at måle den terminale hastighed af et objekt, der falder i en superfluid," sagde Dr. Takeuchi.

"Hvis denne verifikation kan foretages, så tyder det på, at kvanteviskositet eksisterer selv i rene supervæsker ved absolut nul. Jeg kan ikke vente med at se det verificeret gennem eksperimenter."

Flere oplysninger: Hiromitsu Takeuchi, Quantum viscosity and the Reynolds-lignelse af en ren superfluid, Physical Review B (2024). DOI:10.1103/PhysRevB.109.L020502

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang B

Leveret af Osaka Metropolitan University