Экспериментальные принципы. a , В сверхтекучих жидкостях при фиксированном радиальном волновом числе закон полной дисперсии (синяя линия) выходит за рамки классического режима ИВ (красная линия) с частотой отсечки 2Ω (штриховая черная линия), определяемой угловой скоростью Ω . Здесь ω — угловая частота волны. б , Гладкостенный цилиндр из кварцевого стекла, наполненный сверхтекучим 3 Не-В, вращается вокруг своей продольной оси. Во время экспериментов мы отслеживаем конфигурацию вихря в двух местах, используя две пары катушек захвата и возбуждения ЯМР. Контейнер из кварцевого стекла открыт снизу в объем теплообменника с шероховатой поверхностью, спеченной серебром. с, Пространственное распределение вихрей отслеживается с помощью магнонного БЭК, захваченного в аксиальном направлении в минимуме магнитного поля H и в радиальном направлении за счет пространственного изменения спин-орбитальной энергии (называемой текстурой). Радиальный потенциал захвата модифицируется наличием вихрей. d , Мы используем импульсный ЯМР для исследования частоты основного состояния в магнито-текстурной ловушке. Частота показана как сдвиг от ларморовской частоты f L . Скорость релаксации сигнала зависит от плотности вихрей, а на конечную частоту (штриховая линия) влияет ориентация вихрей. 
Авторы и права: Физика природы (2023 г.). DOI: 10.1038/s41567-023-01966-z

Большинство людей сталкиваются с турбулентностью только как с неприятной особенностью авиаперелетов, но это также общеизвестно сложная проблема для физиков и инженеров. В стакане с водой и даже в вихре субатомных частиц крутятся те же силы, что гремят самолеты. Поскольку турбулентность связана с взаимодействием на разных расстояниях и в различных временных масштабах, этот процесс слишком сложен, чтобы его можно было решить с помощью расчетов или вычислительного моделирования — просто требуется слишком много информации.

Ученые попытались решить эту проблему, изучая турбулентность, возникающую в сверхтекучих жидкостях, образованную крошечными одинаковыми завихрениями, называемыми квантованными вихрями. Ключевой вопрос заключается в том, как турбулентность возникает в квантовом масштабе и как она связана с турбулентностью в более крупных масштабах.

Исследователи из Университета Аалто приблизили эту цель, проведя новое исследование квантово-волновой турбулентности. Их выводы, опубликованные в журнале Nature Physics, демонстрируют новое понимание того, как волнообразное движение передает энергию от макроскопических до микроскопических масштабов длины, а их результаты подтверждают теоретическое предсказание о том, как энергия рассеивается на малых масштабах.

Как исчезает энергия

Группа исследователей под руководством старшего научного сотрудника Владимира Ельцова изучала турбулентность изотопа гелия-3 в уникальном вращающемся сверхнизкотемпературном холодильнике в Лаборатории низких температур в Аалто. Они обнаружили, что в микроскопических масштабах так называемые волны Кельвина воздействуют на отдельные вихри, постоянно толкая энергию во все меньшие и меньшие масштабы, что в конечном итоге приводит к масштабу, на котором происходит диссипация энергии.

В своем исследовании исследователи использовали уникальный вращающийся криостат. 
Предоставлено: Микко Раскинен/Университет Аалто.

«Вопрос о том, как энергия исчезает из квантованных вихрей при сверхнизких температурах, был решающим в изучении квантовой турбулентности. Наша экспериментальная установка — это первый случай, когда теоретическая модель волн Кельвина, передающих энергию в диссипативные масштабы длины, была продемонстрировано в реальном мире», — говорит Йере Мякинен, ведущий автор исследования и научный сотрудник Aalto.

Самолеты, поезда и автомобили

В будущем лучшее понимание турбулентности, начиная с квантового уровня, может позволить улучшить проектирование в областях, где течение и поведение жидкостей и газов, таких как вода и воздух, являются ключевым вопросом.

«Наше исследование основных строительных блоков турбулентности может помочь указать путь к лучшему пониманию взаимодействий между различными масштабами длины в турбулентности или контроль потока воды в трубах. Существует огромное количество потенциальных реальных применений для понимания макроскопической турбулентности», — говорит Мякинен.

А пока Ельцов, Мякинен и другие планируют идти туда, куда их ведет наука. Прямо сейчас их цель — манипулировать одним квантованным вихрем с помощью наноразмерных устройств, погруженных в сверхтекучие жидкости.