一項由澳大利亞領(lǐng)導(dǎo)的研究為旋轉(zhuǎn)超流體的行為提供了新的見解。

超流體的一個定義特征是它們表現(xiàn)出量化的渦旋-它們只能旋轉(zhuǎn)一個或兩個或另一個整數(shù)旋轉(zhuǎn)量。

盡管與經(jīng)典流體(旋渦可以以任意強度旋轉(zhuǎn))存在主要區(qū)別，但經(jīng)典流體和量子流體中旋渦的集體動力學(xué)的許多特征都相似。

但是，在這項研究中，昆士蘭大學(xué)的FLEET團隊證明了經(jīng)典流體與量子流體之間的行為存在明顯的差異。作者考慮了渦旋簇的擴展，以表明對于量化渦旋的任何初始排列，都會形成“ Rankine”超渦旋。

主要作者奧利弗·斯托克代爾(Oliver Stockdale)解釋說：“超流體中的許多旋渦的行為通常是混亂的，很難用理論來描述。” “我們的研究通過提供渦旋動力學(xué)的精確解決方案克服了這一挑戰(zhàn)。”

該解決方案表明，手性渦流簇(所有渦流都沿相同方向旋轉(zhuǎn))擴展以形成恒定的密度分布，其形狀類似于高頂禮帽。由于其粘性，在經(jīng)典流體中禁止這種渦旋分布，即朗肯渦旋。

為什么所有超流體最終都變成朗肯分布

奧利弗解釋說：“超流體的粘度為零，可以支撐蘭金渦流。” “這一發(fā)現(xiàn)的驚人結(jié)果是，所有渦流的初始分布，無論它們?nèi)绾闻帕校紩U展形成蘭金渦流。這種長期的等效行為被稱為普遍動力學(xué)，并證明了超流體如何消散的機理。通過量化的渦旋產(chǎn)生能量。”

作者采用了最新發(fā)展的理論，將渦旋本身描述為流體。

共同作者馬特·里夫斯(Matt Reeves)說：“就像流體力學(xué)描述了許多流體顆粒的行為一樣，它也可以用來描述許多渦流的運動，這些渦流在普通流體中形成了'渦流流體'。”

“但是，渦旋流體表現(xiàn)出額外的'異常'應(yīng)力;這些額外的力是由于渦旋的性質(zhì)而產(chǎn)生的，這些渦旋的性質(zhì)限制了其旋轉(zhuǎn)的量化。異常項給出了異常的流體行為，包括粘度為負(fù)。負(fù)粘度會導(dǎo)致與常規(guī)經(jīng)典流體完全相反的行為-使渦旋密度梯度變陡，直到分布變成朗肯渦旋為止。” 在圖1中可以看到渦旋流體理論中的一個示例膨脹，其中最初不均勻的渦旋流體膨脹以形成朗肯旋渦。

為了支持他們的理論發(fā)現(xiàn)，作者通過計算模擬了數(shù)千個渦旋的動力學(xué)。與將漩渦描述為流體相反，這些模擬將每個漩渦視為一個單獨的實體。與渦流理論一樣，作者發(fā)現(xiàn)任何初始渦流分布都會擴大，形成朗肯渦流。數(shù)值結(jié)果的一個示例可以在圖2中看到，其中高斯初始分布擴展形成了蘭金渦。

最后，作者分析了來自實驗的數(shù)據(jù)，該實驗觀察了使用超冷rub原子創(chuàng)建的實際超流體中渦旋簇的膨脹。

項目負(fù)責(zé)人馬修·戴維斯教授解釋說：“盡管渦流理論認(rèn)為存在許多渦流，但該實驗只能產(chǎn)生大約11個渦流。盡管渦旋數(shù)較低，但有證據(jù)表明朗肯渦流是在團簇膨脹后出現(xiàn)的。” 如圖3中的白色圓圈所示，可以看到實驗渦旋。

這項研究不僅證明了復(fù)雜渦流理論的第一個解決方案，而且提供了該理論的第一個實驗測試。該實驗定量地預(yù)測了該理論的關(guān)鍵特征，并展示了一個進(jìn)一步測試Rankine渦旋特性的平臺，例如預(yù)測它支持模擬分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的平臺。

渦流是超流體系統(tǒng)中普遍存在的現(xiàn)象。為了實現(xiàn)FLEET生產(chǎn)超高效超流體晶體管的目標(biāo)，需要更全面地了解渦流在流動的超流體中的行為。FLEET團隊的這項研究是朝著這種晶體管邁出的一步。

論文“ 耗散二維超流體中渦旋簇擴展的普遍動力學(xué)”已于2020年7月發(fā)表在《物理評論研究》上。