, En australiensisk ledd studie har gett ny inblick i beteendet hos roterande supervätskor.

Ett kännetecken för supervätskor är att de uppvisar kvantiserade virvlar - de kan bara rotera med en, eller två, eller en annan heltal rotation.

Trots denna viktiga skillnad från klassiska vätskor, där virvlar kan snurra med vilken styrka som helst, många drag i virvlarnas kollektiva dynamik i både klassiska och kvantfluider är likartade.

Dock, i denna studie visar FLEET -teamet vid University of Queensland en skarp skillnad i beteendet mellan klassiska och kvantvätskor. Författarna anser utvidgningen av virvelkluster för att visa att för alla initiala arrangemang av kvantiserade virvlar, en "Rankine" supervirvel kommer att bildas.

"Beteendet hos många virvlar i en supervätska är ofta kaotiskt och svårt att beskriva teoretiskt, "förklarar huvudförfattaren Oliver Stockdale." Vår studie övervinner denna utmaning genom att ge en exakt lösning på virveldynamiken. "

Lösningen visar att ett kluster av kirala virvlar (virvlar som alla snurrar i samma riktning) expanderar för att bilda en konstant densitetsfördelning som har en form som liknar en topphatt. En sådan fördelning av virvlar, känd som en Rankine -virvel, är förbjudet i klassiska vätskor på grund av deras viskositet.

Varför alla superfluider slutligen blir Rankine -distributioner

"Superfluider har noll viskositet och kan stödja en Rankine -virvel, "förklarar Oliver." Det slående resultatet av denna upptäckt är att alla initiala fördelningar av virvlar, oavsett hur de är arrangerade, expanderar för att bilda en Rankine -virvel. Detta långtidsekvivalenta beteende är känt som den universella dynamiken och demonstrerar mekanismen för hur en supervätska sprider sin energi via kvantiserade virvlar. "

Författarna använder en nyligen utvecklad teori som beskriver virvlarna själva som en vätska.

"Precis som hydrodynamik beskriver beteendet hos många vätskepartiklar, den kan användas för att beskriva rörelsen hos många virvlar, som bildar en 'virvelvätska' i den vanliga vätskan, "säger medförfattaren Matt Reeves.

"Dock, virvelvätskan uppvisar ytterligare "avvikande" spänningar; dessa extra krafter uppstår på grund av arten av virvlar som begränsar deras rotation för att kvantiseras. De avvikande termerna ger ovanliga vätskebeteenden, inklusive en viskositet som är negativ. Väsentligen, den negativa viskositeten orsakar det exakt motsatta beteendet till en normal, klassisk vätska - det brantar upp virvelens densitetsgradienter, tills distributionen blir en Rankine -virvel. "En exempelexpansion inom virvelvätsketeori kan ses i fig. 1, där en initialt ojämn virvelvätska expanderar för att bilda en Rankine-virvel.

För att stödja deras teoretiska fynd, författarna simulerar dynamiken i tusentals virvlar beräknat. I motsats till att beskriva virvlarna som en vätska, dessa simuleringar betraktar varje virvel som en individuell enhet. Som med virvelvätsketeorin, författarna finner att varje initial virvelfördelning expanderar till en Rankine -virvel. Ett exempel på det numeriska resultatet kan ses i fig. 2, där en Gauss -initialdistribution expanderar för att bilda en Rankine -virvel.

Till sist, författarna analyserade data från ett experiment som observerade expansionen av ett virvelkluster i en riktig supervätska, som skapades med ultrakylda rubidiumatomer.

"Även om virvelvätsketeorin antar att det finns många virvlar närvarande, experimentet kunde bara skapa ungefär elva virvlar. Trots det låga virvelnumret, det fanns bevis för att Rankine -virveln uppstod efter att klustret expanderade, "förklarar projektledaren Prof Matthew Davis. De experimentella virvlarna kan ses i fig. 3, som markeras av de vita cirklarna.

Denna studie visade inte bara den första lösningen på den komplicerade virvelvätsketeorin, det gav teorins första experimentella test. Experimentet förutspådde kvantitativt nyckelfunktioner i teorin och demonstrerade en plattform för att ytterligare testa egenskaper hos Rankine -virveln, som förutsägelser om att den stöder en analog fraktionskvantum Hall -effekt.

Virvlar är ett allestädes närvarande fenomen i överflödiga system. För att arbeta mot FLEETs mål att producera en ultraeffektiv superfluid transistor, en mer fullständig förståelse för hur virvlar beter sig i flödande supervätskor behövs. Denna studie av FLEET -teamet är ett steg mot en sådan transistor.

Pappret, "Universell dynamik i expansionen av virvelkluster i en dissipativ tvådimensionell superfluid, "publicerades i Fysisk granskningsforskning i juli 2020.