Wetenschap
Een illustratie die quantum vortexbuizen toont die schijnbare superdiffusie ondergaan. De witte stippen vertegenwoordigen gevangen deeltje dat de onderzoekers volgden om de beweging van de buizen te visualiseren en te volgen, en de rode lijnen vertegenwoordigen de willekeurige patronen die de deeltjes hebben afgelegd. Krediet:met dank aan Wei Guo
Nobelprijswinnaar natuurkunde Richard Feynman beschreef turbulentie ooit als 'het belangrijkste onopgeloste probleem van de klassieke natuurkunde'.
Het begrijpen van turbulentie in klassieke vloeistoffen zoals water en lucht is moeilijk, deels vanwege de uitdaging bij het identificeren van de wervels die in die vloeistoffen wervelen. Het lokaliseren van vortexbuizen en het volgen van hun beweging zou het modelleren van turbulentie aanzienlijk kunnen vereenvoudigen.
Maar die uitdaging is gemakkelijker in kwantumvloeistoffen, die bestaan bij voldoende lage temperaturen dat kwantummechanica - die zich bezighoudt met fysica op de schaal van atomen of subatomaire deeltjes - hun gedrag beheersen.
In een nieuwe studie gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences , Onderzoekers van de Florida State University slaagden erin om de vortexbuizen in een kwantumvloeistof te visualiseren, bevindingen die onderzoekers kunnen helpen om turbulentie in kwantumvloeistoffen en daarbuiten beter te begrijpen.
"Onze studie is niet alleen belangrijk omdat het ons begrip van turbulentie in het algemeen verbreedt, maar ook omdat het de studies van verschillende fysieke systemen ten goede zou kunnen komen waarbij ook vortexbuizen betrokken zijn, zoals supergeleiders en zelfs neutronensterren, " zei Wei Guo, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het FAMU-FSU College of Engineering en de hoofdonderzoeker van de studie.
Het onderzoeksteam bestudeerde superfluïde helium-4, een kwantumvloeistof die bij extreem lage temperaturen bestaat en voor altijd door een nauwe ruimte kan stromen zonder zichtbare wrijving.
Guo's team onderzocht tracerdeeltjes die vastzaten in de wervels en observeerde voor het eerst dat toen vortexbuizen verschenen, ze bewogen in een willekeurig patroon en, gemiddeld, snel van hun vertrekpunt verwijderd. De verplaatsing van deze ingesloten tracers bleek met de tijd veel sneller toe te nemen dan bij reguliere moleculaire diffusie - een proces dat bekend staat als superdiffusie.
Door te analyseren wat er gebeurde, ontdekten ze hoe de vortexsnelheden in de loop van de tijd veranderden, wat belangrijke informatie is voor statistische modellering van kwantumvloeistofturbulentie.
Van links, Wei Guo, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het FAMU-FSU College of Engineering, en Yuan Tang, een postdoctoraal onderzoeker bij het National High Magnetic Field Laboratory, voor de proefopstelling. Krediet:met dank aan Wei Guo
"Superdiffusie is waargenomen in veel systemen, zoals het cellulaire transport in biologische systemen en de zoekpatronen van menselijke jager-verzamelaars, Guo zei. "Een gevestigde verklaring van superdiffusie voor dingen die willekeurig bewegen, is dat ze af en toe uitzonderlijk lange verplaatsingen hebben, die bekend staan als Lévy-vluchten."
Maar na analyse van hun gegevens, Guo's team concludeerde dat de superdiffusie van de tracers in hun experiment niet echt werd veroorzaakt door Lévy-vluchten. Er gebeurde iets anders.
"We kwamen er eindelijk achter dat de superdiffusie die we waarnamen werd veroorzaakt door de relatie tussen de vortexsnelheden op verschillende tijdstippen, " zei Yuan Tang, een postdoctoraal onderzoeker bij het National High Magnetic Field Laboratory en een auteur van papers. "De beweging van elk vortexsegment leek aanvankelijk willekeurig te zijn, maar eigenlijk, de snelheid van een segment op een bepaald moment was positief gecorreleerd met zijn snelheid op het volgende moment. Deze observatie heeft ons in staat gesteld om enkele verborgen generieke statistische eigenschappen van een chaotische willekeurige vortex-kluwen te ontdekken, die nuttig zou kunnen zijn in meerdere takken van de natuurkunde."
In tegenstelling tot klassieke vloeistoffen, vortexbuizen in superfluïde helium-4 zijn stabiele en goed gedefinieerde objecten.
"Het zijn in wezen kleine tornado's die wervelen in een chaotische storm, maar met extreem dunne holle kernen, " zei Tang. "Je kunt ze niet zien met het blote oog, zelfs niet met de sterkste microscoop."
"Om dit op te lossen, we hebben onze experimenten uitgevoerd in het cryogene laboratorium, waar we tracerdeeltjes in helium hebben toegevoegd om ze te visualiseren, " voegde Shiran Bao toe, een postdoctoraal onderzoeker bij het National High Magnetic Field Laboratory en een auteur van papers.
De onderzoekers injecteerden een mengsel van deuteriumgas en heliumgas in het koude supervloeibare helium. Na injectie, het deuteriumgas stolde en vormde kleine ijsdeeltjes, die de onderzoekers gebruikten als de tracers in de vloeistof.
"Net zoals tornado's in de lucht nabijgelegen bladeren kunnen opzuigen, onze tracers kunnen ook vast komen te zitten op de vortexbuizen in helium wanneer ze zich dicht bij de buizen bevinden, ' zei Guo.
Deze visualisatietechniek is niet nieuw en wordt gebruikt door wetenschappers in onderzoekslaboratoria over de hele wereld, maar de doorbraak die deze onderzoekers maakten, was de ontwikkeling van een nieuw algoritme waarmee ze de tracers die op wervels vastzaten konden onderscheiden van de tracers die niet vastzaten.
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com