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涡流大礼帽出现在超流体中

更新时间:2020-09-16 11:03点击:

  尽管与经典流体(旋涡可以以任意强度旋转)存在主要区别,但经典流体和量子流体中旋涡的集体动力学的许多特征都相似。

  但是,在这项研究中,昆士兰大学的FLEET团队证明了经典流体与量子流体之间的行为存在明显的差异。作者考虑了涡旋簇的扩展,以表明对于量化涡旋的任何初始排列,都会形成“ Rankine”超涡旋。

  主要作者奥利弗·斯托克代尔(Oliver Stockdale)解释说:“超流体中的许多旋涡的行为通常是混乱的,很难用理论来描述。” “我们的研究通过提供涡旋动力学的精确解决方案克服了这一挑战。”

  该解决方案表明,手性涡流簇(所有涡流都沿相同方向旋转)扩展以形成恒定的密度分布,其形状类似于高顶礼帽。由于其粘性,在经典流体中禁止这种涡旋分布,即朗肯涡旋。

  奥利弗解释说:“超流体的粘度为零,可以支撑兰金涡流。” “这一发现的惊人结果是,所有涡流的初始分布,无论它们如何排列,都会扩展形成兰金涡流。这种长期的等效行为被称为普遍动力学,并证明了超流体如何消散的机理。通过量化的涡旋产生能量。”

  共同作者马特·里夫斯(Matt Reeves)说:“就像流体力学描述了许多流体颗粒的行为一样,它也可以用来描述许多涡流的运动,这些涡流在普通流体中形成了'涡流流体'。”

  “但是,涡旋流体表现出额外的'异常'应力;这些额外的力是由于涡旋的性质而产生的,这些涡旋的性质限制了其旋转的量化。异常项给出了异常的流体行为,包括粘度为负。负粘度会导致与常规经典流体完全相反的行为-使涡旋密度梯度变陡,直到分布变成朗肯涡旋为止。” 在图1中可以看到涡旋流体理论中的一个示例膨胀,其中最初不均匀的涡旋流体膨胀以形成朗肯旋涡。

  为了支持他们的理论发现,作者通过计算模拟了数千个涡旋的动力学。与将漩涡描述为流体相反,这些模拟将每个漩涡视为一个单独的实体。与涡流理论一样,作者发现任何初始涡流分布都会扩大,形成朗肯涡流。数值结果的一个示例可以在图2中看到,其中高斯初始分布扩展形成了兰金涡。

  最后,作者分析了来自实验的数据,该实验观察了使用超冷rub原子创建的实际超流体中涡旋簇的膨胀。

  项目负责人马修·戴维斯教授解释说:“尽管涡流理论认为存在许多涡流,但该实验只能产生大约11个涡流。尽管涡旋数较低,但有证据表明朗肯涡流是在团簇膨胀后出现的。” 如图3中的白色圆圈所示,可以看到实验涡旋。

  这项研究不仅证明了复杂涡流理论的第一个解决方案,而且提供了该理论的第一个实验测试。该实验定量地预测了该理论的关键特征,并展示了一个进一步测试Rankine涡旋特性的平台,例如预测它支持模拟分数量子霍尔效应的平台。

  涡流是超流体系统中普遍存在的现象。为了实现FLEET生产超高效超流体晶体管的目标,需要更全面地了解涡流在流动的超流体中的行为。FLEET团队的这项研究是朝着这种晶体管迈出的一步。

  论文“ 耗散二维超流体中涡旋簇扩展的普遍动力学”已于2020年7月发表在《物理评论研究》上。


涡流大礼帽出现在超流体中