Een internationaal team van wetenschappers met onderzoekers van de Florida State University heeft een model ontwikkeld dat de verspreiding van vortices in zogenaamde superfluïden voorspelt, werk dat nieuw inzicht geeft in de fysica die turbulentie regelt in kwantumvloeistofsystemen zoals superfluïde neutronensterren.

In een paper gepubliceerd in Physical Review Letters , ontwikkelden de onderzoekers een model dat de verspreiding en snelheid van tornado-achtige vortexbuizen in superfluïden beschrijft. Vortexbuizen zijn een belangrijk ingrediënt van turbulentie, die veel wordt bestudeerd in de klassieke natuurkunde. De beweging van vortexbuizen is relevant in een breed scala aan scenario's, zoals de vorming van orkanen, de overdracht van virussen via de lucht en de chemische vermenging in stervorming. Maar het wordt slecht begrepen in kwantumvloeistoffen.

Dit werk bouwt voort op een eerdere studie die experimentele resultaten rapporteerde die werden verkregen in superfluïde helium-4 binnen een smal temperatuurbereik. Superfluïden zijn vloeistoffen die zonder weerstand kunnen stromen, en dus zonder verlies van kinetische energie. Als ze worden geroerd, vormen ze draaikolken die oneindig ronddraaien.

"Door dit model te valideren en te laten zien dat het de beweging van wervels bij een breed temperatuurbereik beschrijft, bevestigen we een universele regel voor dit fenomeen", zegt Wei Guo, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het FAMU-FSU College of Engineering. . "Deze ontdekking kan helpen bij de ontwikkeling van geavanceerde theoretische modellen van kwantumfluïdumturbulentie."

In de vorige studie volgden Guo en zijn team de vortexbuizen die verschenen in superfluïde helium-4, een kwantumvloeistof die bij extreem lage temperaturen bestaat. In dat onderzoek gebruikte het team kleine deeltjes die in de wervels waren gevangen om hun beweging te volgen. Ze ontdekten dat de wervels zich veel sneller verspreiden dan je zou verwachten op basis van de schijnbaar willekeurige beweging van de buizen. Deze snelle verspreiding staat bekend als superdiffusie.

In het laatste werk bouwden de onderzoekers een numeriek model en gebruikten ze bevindingen uit hun vorige studie om de nauwkeurigheid van het model te valideren door experimentele resultaten te reproduceren. Dat stelde hen in staat te voorspellen hoe vortexbuizen zich zouden kunnen vormen en verspreiden binnen supervloeistoffen bij een groter temperatuurbereik. De simulatie leverde ook ondubbelzinnig bewijs op ter ondersteuning van het fysieke mechanisme dat de auteurs voorstelden om de waargenomen vortex-superdiffusie te verklaren.

Onderzoekers willen turbulentie in kwantumvloeistoffen begrijpen voor de voordelen van fundamenteel onderzoek en voor mogelijk gebruik in praktische toepassingen, zoals de fabricage van nanodraden. Vortexbuizen trekken deeltjes aan die zich groeperen in ongelooflijk dunne lijnen. Door dat proces te beheersen, kunnen zogenaamde nanodraden worden gemaakt, die een dikte hebben die wordt gemeten in nanometers.

"Verspreiding van deeltjes in turbulente stroming is een zeer actief onderwerp in het klassieke turbulentieveld, maar het heeft minder aandacht gekregen in de kwantumvloeistofgemeenschap", zegt Yuan Tang, een co-hoofdauteur en een postdoctoraal onderzoeker aan het FSU-hoofdkwartier National Laboratorium voor hoog magnetisch veld. "Ons werk kan meer toekomstig onderzoek naar de verspreiding van deeltjes in kwantumvloeistoffen stimuleren."

Paper co-auteurs zijn onder meer Satoshi Yui en Makoto Tsubota van de Osaka Metropolitan University, Japan, en Hiromichi Kobayashi van de Keio University, Japan. Dit artikel is geselecteerd door Physical Review Letters als suggestie van de redactie. + Verder verkennen

Technische onderzoekers visualiseren de beweging van wervels in superfluïde turbulentie