理解湍流在經典流體像水和空氣是困難挑戰的部分原因是識別這些液體中的漩渦旋轉。 渦管定位和跟蹤他們的運動可以大大簡化建模的動蕩。但這挑戰更容易在量子流體,它存在在足夠低的溫度下與物理學,量子力學——交易規模的原子或亞原子粒子——管理他們的行為。在一項新的研究發表在美國國家科學院院刊》上佛羅里達州立大學的研究人員設法想象量子流體的渦流管,發現可以幫助研究人員更好地理解量子流體湍流。

 從左,郭魏,副教授FAMU-FSU工程學院的機械工程,和唐元,國家高磁場實驗室的博士后研究員,在實驗前設置。 (由郭魏)“我們的研究很重要,不僅因為它擴大我們的理解湍流,但也因為它可以研究各種物理系統,還包括渦流管,如超導體甚至中子星,”郭魏說,副教授FAMU-FSU機械工程學院工程和這項研究的主要研究者。研究小組研究了超流氦- 4,在極低的溫度下存在量子流體,永遠流狹小的空間沒有明顯的摩擦。郭敬明的團隊研究了示蹤粒子被困在漩渦和首次觀察到,隨著渦管出現了,他們搬到一個隨機模式,平均而言,迅速離開了他們的起點。 這些被困的位移示蹤劑似乎隨著時間的增加速度遠遠超過在常規分子擴散,這一過程稱為superdiffusion。

 分析發生了什么使他們發現渦流速度如何改變隨著時間的推移,這是量子鈴湍流的統計建模的重要信息。“Superdiffusion已經觀察到在細胞運輸等許多系統在生物系統和人類狩獵采集者的搜索模式,”郭說。 ”一個既定的解釋superdiffusion隨機移動的東西是他們偶爾會有特別長的位移,這被稱為利維航班。”

 但分析數據后,郭的研究小組得出結論,superdiffusion的示蹤劑實驗實際上并不是由利維航班。 發生了別的事。“我們終于發現superdiffusion我們觀察到的是由渦流速度之間的關系在不同的時間,”唐元說,國家高磁場實驗室的博士后研究員和作者的一篇論文。 “每一個渦的運動最初似乎是隨機的,但實際上,在一段時間的速度呈正相關,其速度下一次實例。 這個觀察也允許我們發現一些隱藏的通用統計特性的混沌隨機渦的一團,這可能是有用的在多個物理分支。”

 不同于古典流體,渦流管在超流氦- 4是穩定的和良好定義的對象。“從本質上說,他們是小龍卷風在一個混亂的風暴漩渦,但極薄的中空核心,”唐說。 “你不能用肉眼看到它們,即使是最強大的顯微鏡”。“為了解決這個問題,我們進行了實驗在低溫實驗室,我們添加了示蹤粒子在氦形象化,“添加Shiran包,國家高磁場實驗室的博士后研究員和作者的一篇論文。研究人員氘的混合氣體和氦氣體注入冷超流氦。 注射時,氘氣凝固,形成微小的冰晶,研究者作為示蹤劑的液體。“就像龍卷風在空中可以吸在附近的樹葉,我們示蹤劑也可以被困在氦渦管當他們接近管,”郭說。這種可視化技術并不是新的和已經被科學家在研究實驗室在世界范圍內,但突破這些研究人員開發一種新算法,允許他們區分示蹤劑從那些沒有被困困在漩渦。他們的研究是由美國國家科學基金會和美國能源部。 實驗項目在國家高磁場在佛羅里達州立大學的實驗室。