Ett internationellt team av forskare med forskare från Florida State University har utvecklat en modell som förutsäger spridningen av virvlar i så kallade superfluider, arbete som ger ny insikt i fysiken som styr turbulensen i kvantvätskesystem som superfluida neutronstjärnor.

I en artikel publicerad i Physical Review Letters , skapade forskarna en modell som beskriver spridningen och hastigheten hos tornadoliknande virvelrör i supervätskor. Vortexrör är en nyckelingrediens i turbulens, som studeras allmänt inom klassisk fysik. Rörelsen av virvelrör är relevant i ett brett spektrum av scenarier, såsom bildandet av orkaner, luftburen överföring av virus och den kemiska blandningen i stjärnbildning. Men det är dåligt förstått i kvantvätskor.

Detta arbete expanderar på en tidigare studie som rapporterade experimentella resultat erhållna i superfluid helium-4 inom ett smalt temperaturområde. Superfluids är vätskor som kan flöda utan motstånd, och därför utan förlust av kinetisk energi. När de rörs om bildar de virvlar som roterar i det oändliga.

"Genom att validera denna modell och visa att den beskriver rörelsen av virvlar vid ett brett temperaturområde, bekräftar vi en universell regel för detta fenomen", säger Wei Guo, docent i maskinteknik vid FAMU-FSU College of Engineering . "Denna upptäckt kan hjälpa utvecklingen av avancerade teoretiska modeller av kvantvätsketurbulens."

I den tidigare studien spårade Guo och hans team virvelrören som dök upp i superfluid helium-4, en kvantvätska som finns vid extremt låga temperaturer. I den forskningen använde teamet små partiklar som fångades i virvlarna för att spåra deras rörelse. De fann att virvlarna spred sig mycket snabbare än man skulle förvänta sig baserat på rörens till synes slumpmässiga rörelse. Denna snabba spridning kallas superdiffusion.

I det senaste arbetet byggde forskarna en numerisk modell och använde resultat från sin tidigare studie för att validera modellens noggrannhet genom att reproducera experimentella resultat. Det gjorde det möjligt för dem att förutsäga hur virvelrör kan bildas och spridas inom supervätskor vid ett bredare temperaturområde. Simuleringen gav också otvetydiga bevis som stöder den fysiska mekanism som författarna föreslog för att förklara den observerade virvelsuperdiffusionen.

Forskare strävar efter att förstå turbulens i kvantvätskor för de grundläggande forskningsfördelarna såväl som för möjlig användning i praktiska tillämpningar, såsom tillverkning av nanotrådar. Vortexrör drar till sig partiklar som grupperar sig i otroligt tunna linjer. Att kontrollera den processen möjliggör tillverkning av så kallade nanotrådar, som har en tjocklek mätt i nanometer.

"Partikelspridning i turbulent flöde är ett mycket aktivt ämne inom det klassiska turbulensfältet, men det har fått mindre uppmärksamhet i kvantvätskesamhället", säger Yuan Tang, en medförfattare och en postdoktor vid FSU med huvudkontor National Högmagnetfältslaboratorium. "Vårt arbete kan stimulera mer framtida forskning om partikelspridning i kvantvätskor."

Medförfattare till papper inkluderar Satoshi Yui och Makoto Tsubota från Osaka Metropolitan University, Japan, och Hiromichi Kobayashi från Keio University, Japan. Detta papper valdes ut av Physical Review Letters som redaktörsförslag. + Utforska vidare

Ingenjörsforskare visualiserar virvlars rörelse i superfluid turbulens