教育新闻网一项由澳大利亚领导的研究为旋转超流体的行为提供了新的见解。
超流体的一个定义特征是它们表现出量化的涡旋-它们只能旋转一个或两个或另一个整数旋转量。
尽管与经典流体(旋涡可以以任意强度旋转)存在主要区别，但经典流体和量子流体中旋涡的集体动力学的许多特征都相似。
但是，在这项研究中，昆士兰大学的FLEET团队证明了经典流体与量子流体之间的行为存在明显的差异。作者考虑了涡旋簇的扩展，以表明对于量化涡旋的任何初始排列，都会形成“ Rankine”超涡旋。
主要作者奥利弗·斯托克代尔(Oliver Stockdale)解释说：“超流体中的许多旋涡的行为通常是混乱的，很难用理论来描述。” “我们的研究通过提供涡旋动力学的精确解决方案克服了这一挑战。”
该解决方案表明，手性涡流簇(所有涡流都沿相同方向旋转)扩展以形成恒定的密度分布，其形状类似于高顶礼帽。由于其粘性，在经典流体中禁止这种涡旋分布，即朗肯涡旋。
为什么所有超流体最终都变成朗肯分布
奥利弗解释说：“超流体的粘度为零，可以支撑兰金涡流。” “这一发现的惊人结果是，所有涡流的初始分布，无论它们如何排列，都会扩展形成兰金涡流。这种长期的等效行为被称为普遍动力学，并证明了超流体如何消散的机理。通过量化的涡旋产生能量。”
作者采用了最新发展的理论，将涡旋本身描述为流体。
共同作者马特·里夫斯(Matt Reeves)说：“就像流体力学描述了许多流体颗粒的行为一样，它也可以用来描述许多涡流的运动，这些涡流在普通流体中形成了'涡流流体'。”
“但是，涡旋流体表现出额外的'异常'应力;这些额外的力是由于涡旋的性质而产生的，这些涡旋的性质限制了其旋转的量化。异常项给出了异常的流体行为，包括粘度为负。负粘度会导致与常规经典流体完全相反的行为-使涡旋密度梯度变陡，直到分布变成朗肯涡旋为止。” 在图1中可以看到涡旋流体理论中的一个示例膨胀，其中最初不均匀的涡旋流体膨胀以形成朗肯旋涡。
为了支持他们的理论发现，作者通过计算模拟了数千个涡旋的动力学。与将漩涡描述为流体相反，这些模拟将每个漩涡视为一个单独的实体。与涡流理论一样，作者发现任何初始涡流分布都会扩大，形成朗肯涡流。数值结果的一个示例可以在图2中看到，其中高斯初始分布扩展形成了兰金涡。
最后，作者分析了来自实验的数据，该实验观察了使用超冷rub原子创建的实际超流体中涡旋簇的膨胀。
项目负责人马修·戴维斯教授解释说：“尽管涡流理论认为存在许多涡流，但该实验只能产生大约11个涡流。尽管涡旋数较低，但有证据表明朗肯涡流是在团簇膨胀后出现的。” 如图3中的白色圆圈所示，可以看到实验涡旋。
这项研究不仅证明了复杂涡流理论的第一个解决方案，而且提供了该理论的第一个实验测试。该实验定量地预测了该理论的关键特征，并展示了一个进一步测试Rankine涡旋特性的平台，例如预测它支持模拟分数量子霍尔效应的平台。
涡流是超流体系统中普遍存在的现象。为了实现FLEET生产超高效超流体晶体管的目标，需要更全面地了解涡流在流动的超流体中的行为。FLEET团队的这项研究是朝着这种晶体管迈出的一步。
论文“ 耗散二维超流体中涡旋簇扩展的普遍动力学”已于2020年7月发表在《物理评论研究》上。
