En illustration som visar kvantvirvelrör som genomgår uppenbar superdiffusion. De vita prickarna representerar fångade partiklar som forskarna spårade för att visualisera och spåra rörens rörelse, och de röda linjerna representerar de slumpmässiga mönstren som partiklarna färdades. Kredit:Med tillstånd av Wei Guo
Nobelpristagaren i fysik Richard Feynman beskrev en gång turbulens som "den klassiska fysikens viktigaste olösta problem".
Att förstå turbulens i klassiska vätskor som vatten och luft är svårt delvis på grund av utmaningen att identifiera virvlarna som virvlar i dessa vätskor. Att lokalisera virvelrör och spåra deras rörelse kan avsevärt förenkla modelleringen av turbulens.
Men den utmaningen är lättare i kvantvätskor, som existerar vid tillräckligt låga temperaturer för att kvantmekaniken – som handlar om fysik i skalan av atomer eller subatomära partiklar – styr deras beteende.
I en ny studie publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences , Forskare från Florida State University lyckades visualisera virvelrören i en kvantvätska, rön som kan hjälpa forskare att bättre förstå turbulens i kvantvätskor och vidare.
"Vår studie är viktig inte bara för att den breddar vår förståelse av turbulens i allmänhet, men också för att det kan gynna studierna av olika fysiska system som också involverar virvelrör, som supraledare och till och med neutronstjärnor, sa Wei Guo, en docent i maskinteknik vid Ingenjörshögskolan FAMU-FSU och studiens huvudutredare.
Forskargruppen studerade superfluid helium-4, en kvantvätska som existerar vid extremt låga temperaturer och kan strömma för evigt ner i ett trångt utrymme utan uppenbar friktion.
Guos team undersökte spårpartiklar fångade i virvlarna och observerade för första gången att när virvelrör dök upp, de rörde sig i ett slumpmässigt mönster och, i genomsnitt, flyttade sig snabbt bort från sin utgångspunkt. Förskjutningen av dessa fångade spårämnen verkade öka med tiden mycket snabbare än den vid vanlig molekylär diffusion - en process som kallas superdiffusion.
Att analysera vad som hände ledde till att de upptäckte hur virvelhastigheterna förändrades över tiden, vilket är viktig information för statistisk modellering av kvantvätsketurbulens.
Från vänster, Wei Guo, en docent i maskinteknik vid FAMU-FSU College of Engineering, och Yuan Tang, en postdoktor vid National High Magnetic Field Laboratory, framför experimentuppställningen. Kredit:Med tillstånd av Wei Guo
"Superdiffusion har observerats i många system som cellulär transport i biologiska system och sökmönster för mänskliga jägare-samlare, " Sa Guo. "En etablerad förklaring till superdiffusion för saker som rör sig slumpmässigt är att de ibland har exceptionellt långa förskjutningar, som är kända som Lévy-flygningar."
Men efter att ha analyserat deras data, Guos team drog slutsatsen att superdiffusionen av spårämnena i deras experiment faktiskt inte orsakades av Lévy-flygningar. Något annat hände.
"Vi kom äntligen på att superdiffusionen vi observerade orsakades av förhållandet mellan virvelhastigheterna vid olika tidpunkter, sa Yuan Tang, en postdoktor vid National High Magnetic Field Laboratory och en pappersförfattare. "Rörelsen för varje virvelsegment verkade initialt vara slumpmässig, men faktiskt, hastigheten för ett segment vid en tidpunkt var positivt korrelerad till dess hastighet vid nästa tidpunkt. Denna observation har gjort det möjligt för oss att avslöja några dolda generiska statistiska egenskaper hos en kaotisk slumpmässig virvelhärva, som kan vara användbart i flera grenar av fysiken."
Till skillnad från klassiska vätskor, virvelrör i superfluid helium-4 är stabila och väldefinierade objekt.
"De är i grunden små tornados som virvlar i en kaotisk storm men med extremt tunna ihåliga kärnor, " sa Tang. "Du kan inte se dem med blotta ögat, inte ens med det starkaste mikroskopet."
"För att lösa detta, vi genomförde våra experiment i kryogeniklabbet, där vi lade till spårpartiklar i helium för att visualisera dem, " tillade Shiran Bao, en postdoktor vid National High Magnetic Field Laboratory och en pappersförfattare.
Forskarna injicerade en blandning av deuteriumgas och heliumgas i den kalla superfluiden helium. Vid injektion, deuteriumgasen stelnade och bildade små ispartiklar, som forskarna använde som spårämnen i vätskan.
"Precis som tornados i luften kan suga in närliggande löv, våra spårämnen kan också fastna på virvelrören i helium när de är nära rören, " sa Guo.
Denna visualiseringsteknik är inte ny och har använts av forskare i forskningslabb över hela världen, men genombrottet dessa forskare gjorde var att utveckla en ny algoritm som gjorde det möjligt för dem att särskilja spårämnen som fångade på virvlar från de som inte var fångade.
