Elke vloeistof – van de atmosfeer van de aarde tot het bloed dat door het menselijk lichaam stroomt – heeft viscositeit, een kwantificeerbare eigenschap die beschrijft hoe de vloeistof zal vervormen wanneer deze met een andere materie in aanraking komt. Als de viscositeit hoger is, stroomt de vloeistof rustig, een toestand die bekend staat als laminair. Als de viscositeit afneemt, ondergaat de vloeistof de overgang van laminaire naar turbulente stroming.

De mate van laminaire of turbulente stroming wordt het Reynoldsgetal genoemd, dat omgekeerd evenredig is met de viscositeit. De wet van Reynolds van dynamische gelijkenis, ook wel bekend als de gelijkenis van Reynolds, stelt dat als twee vloeistoffen rond vergelijkbare structuren met verschillende lengteschalen stromen, ze hydrodynamisch identiek zijn, op voorwaarde dat ze hetzelfde Reynoldsgetal vertonen.

Deze gelijkenis met Reynolds wordt echter niet toegepast op kwantumsupervloeistoffen, omdat ze geen viscositeit hebben – tenminste, dat is wat onderzoekers hebben geloofd. Nu heeft een onderzoeker van het Nambu Yoichiro Institute of Theoretical and Experimental Physics aan de Osaka Metropolitan University in Japan een manier bedacht om de Reynolds-gelijkenis in supervloeistoffen te onderzoeken, wat het bestaan ​​van kwantumviscositeit in supervloeistoffen zou kunnen aantonen.

Dr. Hiromitsu Takeuchi, docent aan de Graduate School of Science van de Osaka Metropolitan University, publiceerde zijn aanpak in Physical Review B .

"Supervloeistoffen worden lange tijd beschouwd als een voor de hand liggende uitzondering op de gelijkenis van Reynolds," zei Dr. Takeuchi, waarin hij uitlegde dat de gelijkeniswet van Reynolds stelt dat als twee stromen hetzelfde Reynoldsgetal hebben, ze fysiek identiek zijn. "Het concept van kwantumviscositeit gooit het gezonde verstand van de superfluïde theorie omver, die een lange geschiedenis van meer dan een halve eeuw kent. Het vaststellen van gelijkenis in supervloeistoffen is een essentiële stap om de klassieke en kwantumhydrodynamica te verenigen."

Kwantumsupervloeistoffen kunnen echter turbulentie hebben, wat resulteert in een kwantumprobleem:turbulentie in vloeistoffen vereist dissipatie, dus hoe kan superfluïde turbulentie dissipatie ervaren zonder viscositeit? Ze moeten over losbandigheid beschikken en kunnen de gelijkenis van Reynolds volgen, maar de juiste aanpak om dit te onderzoeken was nog niet ontwikkeld.

Deze kenmerken zouden kunnen worden onderzocht, zo theoretiseert Dr. Takeuchi, door te analyseren hoe een vaste bol in een supervloeistof verandert. Door de eindsnelheid van de val van de bol te combineren met de weerstand die de bol ondervindt van de vloeistof terwijl deze valt, kunnen onderzoekers een analoog voor de Reynolds-gelijkenis bepalen. Dit betekent dat de effectieve viscositeit, de kwantumviscositeit genoemd, kan worden gemeten.

"Deze studie richt zich op een theoretische kwestie in het begrijpen van kwantumturbulentie in supervloeistoffen en laat zien dat de Reynolds-gelijkenis in supervloeistoffen kan worden geverifieerd door de eindsnelheid te meten van een object dat in een supervloeistof valt," zei Dr. Takeuchi.

"Als deze verificatie kan worden gedaan, suggereert dit dat kwantumviscositeit zelfs in pure supervloeistoffen op het absolute nulpunt bestaat. Ik kan niet wachten om dit door middel van experimenten te verifiëren."

Meer informatie: Hiromitsu Takeuchi, Quantumviscositeit en de Reynolds-gelijkenis van een pure superfluïde, Physical Review B (2024). DOI:10.1103/PhysRevB.109.L020502

Journaalinformatie: Fysieke beoordeling B

Aangeboden door Osaka Metropolitan University