Исследователи обнаружили альтернативное объяснение образования так называемых вихрей Онзагера в двумерной сверхтекучей жидкости, типе квантовой жидкости, которая может течь без трения. Их результаты были опубликованы в Physical Review Letters.
«Это открытие дает нам новое объяснение того, как эти вихри могут образовываться, и является важным шагом на пути к дальнейшему улучшению нашего понимания квантовой физики», – сказал Вэй Го, доцент кафедры машиностроения и ведущий исследователь исследования.
В 1949 году лауреат Нобелевской премии Ларс Онсагер предложил простую теорию, относящуюся к нашему пониманию закрученного движения в турбулентных двумерных жидкостях, которые являются жидкостями, вынужденными двигаться в двумерном пространстве.
Теория Онзагера гласит, что когда энергия постоянно добавляется в двумерную турбулентную жидкость с хаотическими небольшими завихрениями (формально называемыми вихрями), эти завихрения, вращающиеся в одном направлении, будут группироваться с образованием крупномасштабных устойчивых завихрений, когда энергия достаточно высока.
Эти скопления или крупномасштабные завихрения известны как «вихри Онзагера»."Большое красное пятно Юпитера – хороший пример.
«Теория Онзагера требует добавления энергии к двумерной жидкости», – сказал Гуо. «Однако недавние публикации показали, что в двумерных конденсатах Бозе-Эйнштейна (БЭК) вихри Онзагера могут возникать спонтанно без подвода энергии. Мы решили провести дополнительные исследования этих удивительных результатов."
БЭК – это состояние вещества, при котором идентичные атомы или молекулы удерживаются лазером или магнитной ловушкой и охлаждаются почти до абсолютного нуля. Частицы в состоянии BEC занимают один и тот же квантовомеханический уровень энергии и могут демонстрировать сверхтекучие свойства, например, течь без видимой потери кинетической энергии и вращаясь вокруг крошечных полых трубок, называемых вихревыми трубками. С соответствующей ловушкой БЭК может быть ограничен формой квазидвумерного диска, то есть формы с небольшой толщиной, но большим радиусом.
Вихревые трубки в 2D BEC выглядят как крошечные точечные завитки, которые могут служить идеальной испытательной площадкой для теории Онзагера.
«Общепринятое объяснение спонтанного появления вихрей Онзагера в двумерных дисковых БЭК – это механизм испарительного нагрева», – сказал Гуо. "Этот механизм относится к тому, что физики называют аннигиляцией вихрей, когда пара вихрей с противоположным вращением сливается и исчезает, точно так же, как положительный заряд нейтрализует отрицательный заряд."
«Когда вихри аннигилируют, энергия каждого вихря увеличивается, что приводит к образованию вихрей Онзагера», – сказал Тошиаки Канаи, аспирант-исследователь, работающий с Гуо в Национальной лаборатории сильного магнитного поля.
Однако в численном моделировании, выполненном Канаи и Го при изучении турбулентного закрученного движения в 2D, с БЭК, ограниченными на поверхности сферы, они обнаружили, что вихри Онзагера никогда не образовывались, несмотря на аннигиляцию пар вихрей. Затем исследователи провели сравнительное исследование динамики вихрей как в дисковых БЭК, так и в БЭК со сферической оболочкой.
«Мы наконец выяснили, что спонтанное образование вихрей Онзагера не связано с хорошо принятым механизмом испарительного нагрева», – сказал Го. «Истинный механизм – это выход вихрей за границу 2D БЭК."
Диск BEC имеет окружность, по которой вихри могут выходить, а сферическая оболочка BEC не имеет границ. Следовательно, по словам исследователей, вихри Онзагера наблюдаются только в дисковых БЭК, но не в сферических оболочках БЭК.
«Выявление истинного механизма спонтанного образования вихрей Онзагера в двумерных БЭК представляет собой большой прогресс в нашем понимании двумерной сверхтекучей турбулентности», – сказал Гуо. "Наши результаты о точечных вихрях на сфере могут представлять концептуально интересную модель планетарной атмосферы, и эти результаты могут быть проверены экспериментально в космической лаборатории НАСА."
НАСА недавно установило лабораторию холодного атома на Международной космической станции, что сделало возможным производство БЭК в форме сферической оболочки. Будущие экспериментальные исследования в условиях невесомости могут способствовать развитию науки в этой области.
Это исследование финансировалось трехлетним грантом Национального научного фонда (грант № DMR-2100790).