Визуализация квантованных вихревых колец в сверхтекучем гелии для оценки квантовой диссипации
Ученые Осакского столичного университета численно исследовали взаимодействие между квантованным вихрем и нормальной жидкостью. Основываясь на экспериментальных результатах, исследователи выбрали наиболее последовательную из нескольких теоретических моделей. Обнаружено, что модель, учитывающая изменения в нормальной жидкости и учитывающая более точное с теоретической точки зрения взаимное трение, наиболее совместима с экспериментальными результатами. Выводы были опубликованы в Nature Communications.
Визуализация квантованного вихревого кольца над плоскостью (зеленая кривая), вихревых колец нормальной жидкости (красные полукруги).
Фото: Макото Цубота, OMU
Жидкий гелий-4, находящийся в сверхтекучем состоянии при криогенных температурах, близких к абсолютному нулю (-273°С), имеет особый вихрь, называемый квантованным вихрем, возникающий в результате квантово-механических эффектов.
При относительно высокой температуре нормальная жидкость существует одновременно в сверхтекучем гелии, а при движении квантованного вихря между ним и нормальной жидкостью возникает взаимное трение. Однако трудно точно объяснить, как квантованный вихрь взаимодействует с нормальной движущейся жидкостью. Хотя было предложено несколько теоретических моделей, неясно, какая из них верна.
Исследовательская группа под руководством профессора Макото Цубота и специально назначенного ассистента профессора Сатоши Юи из Высшей школы науки и Института теоретической и экспериментальной физики Намбу Ёитиро столичного университета Осаки соответственно в сотрудничестве со своими коллегами из Университета штата Флорида и Университета Кейо численно исследовал взаимодействие квантованного вихря с нормальной жидкостью.
Основываясь на экспериментальных результатах, исследователи выбрали наиболее последовательную из нескольких теоретических моделей. Они обнаружили, что модель, учитывающая изменения в нормальной жидкости и учитывающая более точное с теоретической точки зрения взаимное трение, наиболее совместима с экспериментальными результатами.
«Предмет этого исследования, взаимодействие между квантованным вихрем и нормальной жидкостью, был большой загадкой с тех пор, как я начал свои исследования в этой области 40 лет назад», — заявил профессор Цубота. «Вычислительные достижения позволили справиться с этой проблемой, а блестящий эксперимент по визуализации, проведенный нашими сотрудниками из Университета штата Флорида, привел к прорыву. Как это часто бывает в науке, последующее развитие технологий позволило выяснить, и это исследование является хорошим примером этого».
