Forskare vid FAMU-FSU College of Engineering och National High Magnetic Field Laboratory har ny insikt om bildandet av virvlar i en typ av kvantvätska, arbete som kan hjälpa vår förståelse av fysikens mysterium om hur virvelkluster bildas och ge värdefull förståelse för den atmosfäriska virvlande rörelsen på planeter som Jorden och Jupiter.

Forskarna avslöjade en alternativ förklaring till bildandet av så kallade Onsagervirvlar i en tvådimensionell superfluid, en typ av kvantvätska som kan flöda utan friktion. Deras resultat publicerades i Fysiska granskningsbrev .

"Det här fyndet ger oss en ny förklaring till hur dessa virvlar kan bildas och är ett viktigt steg mot att fortsätta att förbättra vår förståelse av kvantfysik, sa Wei Guo, docent i maskinteknik och ledande utredare av studien.

1949, Nobelpristagaren Lars Onsager föreslog en enkel teori om vår förståelse av virvlande rörelse i turbulenta 2D-vätskor, som är vätskor som tvingas röra sig i ett tvådimensionellt utrymme.

Onsagers teori säger att när energi konstant tillsätts till en 2D turbulent vätska med kaotiska små virvlar (formellt kallade virvlar), de virvlar som roterar i samma riktning skulle samlas för att bilda storskaliga ihållande virvlar när energin är tillräckligt hög. Dessa kluster eller storskaliga virvlar är kända som "Onsager virvlar." Jupiters stora röda fläck är ett bra exempel.

"Onsagers teori kräver att energi tillförs 2D-vätskan, "Sa Guo. "Men, nyligen publicerade publikationer avslöjade att i 2D Bose-Einstein Condensates (BECs), Onsagervirvlar kan dyka upp spontant utan energitillförsel. Vi ville göra fler undersökningar av dessa överraskande resultat."

BEC är ett tillstånd av materia där identiska atomer eller molekyler begränsas av en laser eller magnetisk fälla och kyls till nära absolut noll. Partiklarna i BEC-tillståndet upptar samma kvantmekaniska energinivå och kan uppvisa superfluidbeteenden, som att flöda utan den uppenbara förlusten av kinetisk energi och rotera runt små ihåliga rör som kallas virvelrör. Med en lämplig fälla, en BEC kan begränsas till att ha en kvasi-2D skivform, det är, en form med liten tjocklek men stor radie. Vortexrören i en 2D BEC ser ut som små spetsvirvlar, som kan fungera som en idealisk testbädd för Onsagers teori.

"En väl accepterad förklaring av det spontana uppträdandet av Onsager-virvlar i 2D-skivor BEC är den förångande uppvärmningsmekanismen, " sade Guo. "Denna mekanism hänvisar till vad fysiker kallar virvelförintelse, vilket är när ett par virvlar med motsatta rotationer smälter samman och försvinner, precis som en positiv laddning neutraliserar med en negativ laddning."

"När virvlarna förintas, energin per virvel ökar, vilket leder till bildandet av Onsagervirvlar, " sa Toshiaki Kanai, en doktorand som arbetar med Guo vid National High Magnetic Field Laboratory.

Dock, i en numerisk simulering utförd av Kanai och Guo medan de studerade den turbulenta virvlande rörelsen i 2D, med BECs instängda på ytan av en sfär, de fann att Onsagervirvlar aldrig bildades trots förintelsen av virvelparen. Forskarna genomförde sedan en jämförande studie av virveldynamiken i både disk BECs och sfäriska skal BECs.

"Vi kom äntligen på att den spontana bildningen av Onsager-virvlar inte beror på den väl accepterade evaporativa uppvärmningsmekanismen, " Sa Guo. "Den sanna mekanismen är att virvlarna lämnar 2D BEC-gränsen."

Skivan BEC har en omkrets där virvlarna kan gå ut, medan det sfäriska skalet BEC inte har några gränser. Därför, Onsager-virvlar observeras endast i skivans BEC men inte i de sfäriska BEC-skalen, enligt forskarna.

"Att identifiera den sanna mekanismen för spontan bildning av Onsager-virvlar i 2D BECs representerar ett stort framsteg i vår förståelse av 2D superfluid turbulens, " Sa Guo. "Våra fynd om punktvirvlarna på en sfär kan representera en konceptuellt intressant modell av en planetarisk atmosfär, och dessa fynd kan testas experimentellt på NASA:s rymdlaboratorium."

NASA har nyligen installerat ett kallatomlaboratorium vid den internationella rymdstationen, vilket har gjort det möjligt att producera BEC i sfärisk skalgeometri. Framtida experimentella studier i tyngdkraftsnoll kan bidra till att främja vetenskapen på detta område.