Naukowcy wykorzystali w swoich badaniach unikalny obrotowy kriostat. Źródło: Mikko Raskinen/Uniwersytet Aalto

Grupa naukowców wykazała rozpraszanie energii w turbulencjach kwantowych, dostarczając wglądu w turbulencje w różnych skalach, od mikroskopowej po planetarną.

Dr Samuli Autti z Lancaster University współpracował z naukowcami z Aalto University nad niedawnymi badaniami nad turbulencjami fal kwantowych.

Odkrycia zespołu, opublikowane w Natura Physics, wykazują nowe zrozumienie tego, jak ruch podobny do fali przenosi energię z makroskopowych do mikroskopowych skal długości, a ich wyniki potwierdzają teoretyczne przewidywania dotyczące rozpraszania energii w małych skalach.

Dr Autti powiedział: „To odkrycie stanie się kamieniem węgielnym fizyki dużych układów kwantowych”.

Turbulencje kwantowe na dużą skalę – takie jak turbulencje wokół poruszających się samolotów lub statków – są trudne do symulacji. W małych skalach turbulencje kwantowe różnią się od turbulencji klasycznych, ponieważ turbulentny przepływ płynu kwantowego jest ograniczony wokół liniowych centrów przepływu zwanych wirami i może przyjmować tylko określone, skwantowane wartości.

Ta ziarnistość sprawia, że ​​turbulencje kwantowe są znacznie łatwiejsze do uchwycenia w teorii i ogólnie uważa się, że opanowanie turbulencji kwantowych pomoże fizykom również zrozumieć klasyczne turbulencje.

W przyszłości lepsze zrozumienie turbulencji rozpoczynających się na poziomie kwantowym może pozwolić na ulepszenie inżynierii w dziedzinach, w których przepływ i zachowanie płynów i gazów, takich jak woda i powietrze, jest kwestią kluczową.

Główny autor, dr Jere Mäkinen z Uniwersytetu Aalto, powiedział: „Nasze badania nad podstawowymi budulcami turbulencji mogą pomóc wskazać drogę do lepszego zrozumienia interakcji między różnymi skalami długości turbulencji.

„Zrozumienie, że w klasycznych płynach pomoże nam poprawić aerodynamikę pojazdów, lepiej przewidywać pogodę[{” attribute=””>accuracy, or control water flow in pipes. There is a huge number of potential real-world uses for understanding macroscopic turbulence.”

Dr. Autti said quantum turbulence was a challenging problem for scientists.

“In experiments, the formation of quantum turbulence around a single vortex has remained elusive for decades despite an entire field of physicists working on quantum turbulence trying to find it. This includes people working on superfluids and quantum gases such as atomic Bose-Einstein Condensates (BEC). The theorized mechanism behind this process is known as the Kelvin wave cascade.

“In the present manuscript, we show that this mechanism exists and works as theoretically anticipated. This discovery will become a cornerstone of the physics or large quantum systems.”

The team of researchers, led by Senior Scientist Vladimir Eltsov, studied turbulence in the Helium-3 isotope in a unique, rotating ultra-low temperature refrigerator in the Low Temperature Laboratory at Aalto.  They found that at microscopic scales so-called Kelvin waves act on individual vortices by continually pushing energy to smaller and smaller scales – ultimately leading to the scale at which dissipation of energy takes place.

Dr. Jere Mäkinen from Aalto University said: “The question of how energy disappears from quantized vortices at ultra-low temperatures has been crucial in the study of quantum turbulence. Our experimental set-up is the first time that the theoretical model of Kelvin waves transferring energy to the dissipative length scales has been demonstrated in the real world.”

The team’s next challenge is to manipulate a single quantized vortex using nano-scale devices submerged in superfluids.

Reference: “Rotating quantum wave turbulence” by J. T. Mäkinen, S. Autti, P. J. Heikkinen, J. J. Hosio, R. Hänninen, V. S. L’vov, P. M. Walmsley, V. V. Zavjalov and V. B. Eltsov, 2 March 2023, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-023-01966-z