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物理学家发明低温下通过量子流体观察涡流的新技术

2021-05-12 00:25 · 稿源:cnbeta

兰卡斯特大学的物理学家开发了一种研究量子流体中的涡流的新技术。Andrew Guthrie、Sergey Kafanov、Theo Noble、Yuri Pashkin、George Pickett和Viktor Tsepelin与莫斯科国立大学的科学家合作,使用微型机械谐振器检测超流体氦中的单个量子涡流。他们的工作发表在当前的《自然通讯》杂志上。

这项关于量子湍流的研究比现实世界中的湍流更简单,因为在日常现象中可以观察到湍流,如冲浪、快速流动的河流、波涛汹涌的风暴云或烟囱烟雾。尽管它是如此普遍,并且在各个层面,从星系到亚原子都有发现,但人们仍然没有完全理解它。

物理学家知道支配空气和水等流体流动的基本纳维-斯托克斯方程,但尽管经过几个世纪的努力,这些数学方程仍然无法得到解决。

但是,量子湍流可能提供了答案的线索。量子流体中的湍流比其 "混乱"的经典对应物要简单得多,并且是由相同的单量子化涡流组成的,可以被认为是为该现象提供了一个 "原子理论"。然而,量子系统中的湍流,例如超流体氦4中的湍流,发生在微观尺度上,之前,科学家还没有足够精确的工具来探测这么小的涡流。

海上运输中使用的大部分能量都用于制造湍流。资料来源:兰卡斯特大学

但是现在,兰卡斯特大学物理学团队在绝对零度以上几千分之一的温度下工作,通过使用超流体中的纳米级 "吉他弦",利用纳米科学来探测单个量子涡旋(其核心尺寸与原子直径相当)。

该团队是如何做到这一点的:沿着 "弦 "的长度(大约100纳米宽的条形)捕获一个单一的涡旋。当一个漩涡被困住时,杆的共振频率会发生变化,因此可以跟踪漩涡的捕获和释放率,从而为了解湍流结构打开一个窗口。

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