涡流大礼帽出现在超流体中

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。

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