, Een door Australië geleid onderzoek heeft nieuw inzicht opgeleverd in het gedrag van roterende superfluïden.

Een bepalend kenmerk van superfluïden is dat ze gekwantiseerde wervels vertonen - ze kunnen maar met één roteren, of twee, of een andere integere hoeveelheid rotatie.

Ondanks dit belangrijke verschil met klassieke vloeistoffen, waar draaikolken met elke kracht kunnen draaien, veel kenmerken van de collectieve dynamiek van wervels in zowel klassieke als kwantumvloeistoffen zijn vergelijkbaar.

Echter, in deze studie demonstreerde het FLEET-team van de Universiteit van Queensland één groot verschil in het gedrag tussen klassieke en kwantumvloeistoffen. De auteurs beschouwen de uitbreiding van vortexclusters om aan te tonen dat voor elke initiële rangschikking van gekwantiseerde vortices, een "Rankine" super-vortex zal vormen.

"Het gedrag van veel wervels in een superfluïde is vaak chaotisch en theoretisch moeilijk te beschrijven, " legt hoofdauteur Oliver Stockdale uit. "Onze studie overwint deze uitdaging door een exacte oplossing te bieden voor de werveldynamiek."

De oplossing laat zien dat een cluster van chirale wervels (wervels die allemaal in dezelfde richting draaien) uitzet om een ​​constante dichtheidsverdeling te vormen die een vorm heeft die lijkt op een hoge hoed. Een dergelijke verdeling van wervels, bekend als een Rankine-vortex, is vanwege hun viscositeit verboden in klassieke vloeistoffen.

Waarom alle superfluïden uiteindelijk Rankine-distributies worden

"Superfluids hebben geen viscositeit en kunnen een Rankine-vortex ondersteunen, " legt Oliver uit. "Het opvallende resultaat van deze bevinding is dat alle initiële verdelingen van wervels, hoe ze ook zijn geregeld, expandeert om een ​​Rankine-vortex te vormen. Dit langdurige equivalente gedrag staat bekend als de universele dynamiek en demonstreert het mechanisme voor hoe een superfluïde zijn energie dissipeert via gekwantiseerde wervels."

De auteurs gebruiken een recent ontwikkelde theorie die de wervels zelf beschrijft als een vloeistof.

"Net zoals hydrodynamica het gedrag van veel vloeistofdeeltjes beschrijft, het kan worden gebruikt om de beweging van vele wervels te beschrijven, die een 'vortexvloeistof' vormen in de gewone vloeistof, ", zegt co-auteur Matt Reeves.

"Echter, de vortexvloeistof vertoont extra 'abnormale' spanningen; deze extra krachten ontstaan ​​door de aard van de wervels die hun te kwantificeren rotatie beperken. De afwijkende termen geven ongebruikelijk vloeiend gedrag, inclusief een viscositeit die negatief is. Eigenlijk, de negatieve viscositeit veroorzaakt precies het tegenovergestelde gedrag van een normale, klassieke vloeistof - het maakt de dichtheidsgradiënten van de vortex sterker, totdat de verdeling een Rankine-vortex wordt." Een voorbeeld van expansie binnen de vortex-vloeistoftheorie is te zien in Fig. 1, waar een aanvankelijk niet-uniforme vortexvloeistof uitzet om een ​​Rankine-vortex te vormen.

Om hun theoretische bevindingen te ondersteunen, de auteurs simuleren de dynamiek van duizenden wervels computationeel. In tegenstelling tot het beschrijven van de wervels als een vloeistof, deze simulaties beschouwen elke vortex als een individuele entiteit. Net als bij de vortexvloeistoftheorie, de auteurs vinden dat elke initiële vortexverdeling zich uitbreidt om een ​​Rankine-vortex te vormen. Een voorbeeld van het numerieke resultaat is te zien in Fig. 2, waarbij een Gaussiaanse initiële verdeling zich uitbreidt om een ​​Rankine-vortex te vormen.

Eindelijk, de auteurs analyseerden gegevens van een experiment dat de expansie van een vortexcluster in een echte superfluïde observeerde, die is gemaakt met behulp van ultrakoude rubidium-atomen.

"Hoewel de vortexvloeistoftheorie aanneemt dat er veel wervels aanwezig zijn, het experiment kon slechts ongeveer elf wervels creëren. Ondanks het lage vortexgetal, er was bewijs dat de Rankine-vortex ontstond nadat het cluster was uitgebreid, " legt projectleider prof. Matthew Davis uit. De experimentele wervels zijn te zien in Fig. 3, zoals gemarkeerd door de witte cirkels.

Deze studie demonstreerde niet alleen de eerste oplossing voor de gecompliceerde vortexvloeistoftheorie, het leverde de eerste experimentele test van de theorie op. Het experiment voorspelde kwantitatief de belangrijkste kenmerken van de theorie en demonstreerde een platform om de eigenschappen van de Rankine-vortex verder te testen, zoals voorspellingen dat het een kwantum Hall-effect met analoge fracties ondersteunt.

Wervels zijn een alomtegenwoordig fenomeen in superfluïde systemen. Om te werken aan het doel van FLEET om een ​​ultra-efficiënte superfluïde transistor te produceren, een vollediger begrip van hoe wervels zich gedragen in stromende superfluïden is nodig. Deze studie van het FLEET-team is een stap in de richting van zo'n transistor.

De krant, "Universele dynamiek in de expansie van vortexclusters in een dissipatieve tweedimensionale superfluïde, " werd gepubliceerd in Fysiek beoordelingsonderzoek in juli 2020.