Varje vätska - från jordens atmosfär till blod som pumpar genom människokroppen - har viskositet, en kvantifierbar egenskap som beskriver hur vätskan kommer att deformeras när den stöter på någon annan materia. Om viskositeten är högre flyter vätskan lugnt, ett tillstånd som kallas laminärt. Om viskositeten minskar genomgår vätskan övergången från laminärt till turbulent flöde.
Graden av laminärt eller turbulent flöde kallas Reynolds-talet, vilket är omvänt proportionellt mot viskositeten. Reynolds lag om dynamisk likhet, även känd som Reynolds likhet, säger att om två vätskor strömmar runt liknande strukturer med olika längdskalor, är de hydrodynamiskt identiska, förutsatt att de uppvisar samma Reynolds-tal.
Denna Reynolds-liknelse tillämpas dock inte på kvantsupervätskor, eftersom de inte har viskositet - det är åtminstone vad forskare har trott. Nu har en forskare från Nambu Yoichiro Institute of Theoretical and Experimental Physics vid Osaka Metropolitan University i Japan teoretiserat ett sätt att undersöka Reynolds-liknelsen i supervätskor, vilket skulle kunna visa förekomsten av kvantviskositet i supervätskor.
Dr. Hiromitsu Takeuchi, en föreläsare vid Graduate School of Science vid Osaka Metropolitan University, publicerade sitt tillvägagångssätt i Physical Review B .
"Superfluids har länge ansetts vara ett uppenbart undantag från Reynolds-likheten," sa Dr Takeuchi och förklarade att Reynolds lag om likhet säger att om två flöden har samma Reynolds-nummer, så är de fysiskt identiska. "Begreppet kvantviskositet kullkastar det sunda förnuftet av superfluid teori, som har en lång historia på mer än ett halvt sekel. Att etablera likheter i superfluids är ett viktigt steg för att förena klassisk hydrodynamik och kvanthydrodynamik."
Kvantsupervätskor kan dock ha turbulens, vilket resulterar i ett kvantproblem:Turbulens i vätskor kräver avledning, så hur kan superfluidturbulens uppleva avledning utan viskositet? De måste ha spridning och kan följa Reynolds-liknelsen, men det rätta tillvägagångssättet för att undersöka det hade ännu inte utvecklats.
Dessa egenskaper kan undersökas, teoretiserar Dr Takeuchi, genom att analysera hur en fast sfär faller in i en supervätska. Genom att kombinera sluthastigheten för sfärens fall med motståndet som sfären möter från vätskan när den faller, kan forskare fastställa en analog för Reynolds-liknelsen. Detta innebär att effektiv viskositet, kallad kvantviskositet, kan mätas.
"Denna studie fokuserar på en teoretisk fråga för att förstå kvantturbulens i superfluider och visar att Reynolds-liknelsen i superfluider kan verifieras genom att mäta den slutliga hastigheten för ett objekt som faller i en superfluid", sa Dr. Takeuchi.
"Om denna verifiering kan göras, så tyder detta på att kvantviskositet existerar även i rena supervätskor vid absolut noll. Jag kan inte vänta med att se den verifierad genom experiment."
Mer information: Hiromitsu Takeuchi, Quantum viscosity and the Reynolds-liknelse av en ren superfluid, Physical Review B (2024). DOI:10.1103/PhysRevB.109.L020502
Journalinformation: Fysisk granskning B
Tillhandahålls av Osaka Metropolitan University
