Onderzoekers van het FAMU-FSU College of Engineering en het National High Magnetic Field Laboratory hebben nieuw inzicht gekregen in de vorming van wervels in een soort kwantumvloeistof, werk dat ons zou kunnen helpen om het fysische mysterie van de vorming van vortexclusters te begrijpen en waardevol inzicht te verschaffen in de atmosferische wervelbeweging op planeten zoals de aarde en Jupiter.

De onderzoekers onthulden een alternatieve verklaring voor de vorming van zogenaamde Onsager-wervels in een tweedimensionale superfluïde, een soort kwantumvloeistof die zonder wrijving kan stromen. Hun bevindingen werden gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

"Deze bevinding geeft ons een nieuwe verklaring voor hoe deze wervels zich kunnen vormen en is een belangrijke stap in de richting van het blijven verbeteren van ons begrip van de kwantumfysica, " zei Wei Guo, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en hoofdonderzoeker van de studie.

In 1949, Nobelprijswinnaar Lars Onsager stelde een eenvoudige theorie voor met betrekking tot ons begrip van de wervelende beweging in turbulente 2D-vloeistoffen, die vloeistoffen zijn die beperkt zijn om in een tweedimensionale ruimte te bewegen.

De theorie van Onsager zegt dat wanneer energie constant wordt toegevoegd aan een 2D turbulente vloeistof met chaotische kleine wervelingen (formeel vortices genoemd), die wervelingen die in dezelfde richting draaien, zouden clusteren om grootschalige aanhoudende wervelingen te vormen wanneer de energie voldoende hoog is. Deze clusters of grootschalige wervelingen staan ​​bekend als "Onsager-vortices". Jupiter's Grote Rode Vlek is een goed voorbeeld.

"De theorie van Onsager vereist dat energie wordt toegevoegd aan de 2D-vloeistof, "Zei Guo. "Echter, recente publicaties onthulden dat in 2D Bose-Einstein-condensaten (BEC's), Onsager-wervels kunnen spontaan verschijnen zonder energie-invoer. We wilden meer onderzoek doen naar deze verrassende resultaten."

BEC is een toestand van materie waarin identieke atomen of moleculen worden opgesloten door een laser of magnetische val en afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt. De deeltjes in de BEC-toestand bezetten hetzelfde kwantummechanische energieniveau en kunnen supervloeibaar gedrag vertonen, zoals stromen zonder het schijnbare verlies van kinetische energie en draaien rond kleine holle buisjes die vortexbuizen worden genoemd. Met een passende val een BEC kan worden beperkt tot een quasi-2D-schijfvorm, dat is, een vorm met een kleine dikte maar een grote straal. De vortexbuizen in een 2D BEC lijken op minuscule puntwervelingen, die kan dienen als een ideale proeftuin voor de theorie van Onsager.

"Een algemeen aanvaarde verklaring van het spontaan verschijnen van Onsager-wervelingen in 2D-schijf-BEC's is het verdampingsverwarmingsmechanisme, Guo zei. "Dit mechanisme verwijst naar wat natuurkundigen vortex-annihilatie noemen, dat is wanneer een paar wervels met tegengestelde rotaties samensmelten en verdwijnen, net zoals een positieve lading neutraliseert met een negatieve lading."

"Als de draaikolken vernietigen, de energie per vortex neemt toe, wat leidt tot de vorming van Onsager-wervels, " zei Toshiaki Kanai, een afgestudeerde onderzoeksstudent die samenwerkt met Guo bij het National High Magnetic Field Laboratory.

Echter, in een numerieke simulatie uitgevoerd door Kanai en Guo tijdens het bestuderen van de turbulente wervelende beweging in 2D, met BEC's op het oppervlak van een bol, ze ontdekten dat Onsager-wervelingen zich nooit hebben gevormd ondanks de vernietiging van de vortex-paren. De onderzoekers voerden vervolgens een vergelijkend onderzoek uit naar de werveldynamiek in zowel schijf-BEC's als sferische schaal-BEC's.

"We kwamen er eindelijk achter dat de spontane vorming van Onsager-wervels niet te wijten is aan het algemeen aanvaarde verdampingsverwarmingsmechanisme, "Zei Guo. "Het echte mechanisme is het verlaten van de wervelingen uit de 2D BEC-grens."

De schijf BEC heeft een omtrek waar de wervels kunnen uittreden, terwijl de bolvormige schaal BEC geen grenzen heeft. Daarom, Onsager-wervels worden alleen waargenomen in de schijf-BEC's, maar niet in de bolvormige BEC-schalen, volgens de onderzoekers.

"Het identificeren van het ware mechanisme voor de spontane vorming van Onsager-wervelingen in 2D BEC's vertegenwoordigt een belangrijke vooruitgang in ons begrip van 2D superfluïde turbulentie, " Guo zei. "Onze bevindingen over de puntwervelingen op een bol kunnen een conceptueel interessant model van een planetaire atmosfeer vertegenwoordigen, en deze bevindingen kunnen experimenteel worden getest in het ruimtelaboratorium van NASA."

NASA heeft onlangs een koud-atoomlaboratorium geïnstalleerd in het internationale ruimtestation, waardoor het mogelijk is om BEC's in sferische schaalgeometrie te produceren. Toekomstige experimentele studies in zwaartekracht kunnen de wetenschap op dit gebied vooruit helpen.