Forscher erweitern das Verständnis der Wirbelausbreitung in Superfluiden

Ein internationales Team von Wissenschaftlern mit Forschern der Florida State University hat ein Modell entwickelt, das die Ausbreitung von Wirbeln in sogenannten Superfluiden vorhersagt, eine Arbeit, die neue Einblicke in die Physik bietet, die Turbulenzen in Quantenfluidsystemen wie superfluiden Neutronensternen steuert.

In einer Veröffentlichung in Briefe zur körperlichen Überprüfungerstellten die Forscher ein Modell, das die Ausbreitung und Geschwindigkeit von tornadoartigen Wirbelröhren in Supraflüssigkeiten beschreibt. Wirbelrohre sind ein wesentlicher Bestandteil der Turbulenz, die in der klassischen Physik umfassend untersucht wird. Die Bewegung von Wirbelröhren ist in einer Vielzahl von Szenarien relevant, wie z. B. der Entstehung von Wirbelstürmen, der Übertragung von Viren durch die Luft und der chemischen Vermischung bei der Sternentstehung. Aber es ist in Quantenflüssigkeiten kaum verstanden.

Diese Arbeit baut auf einer früheren Studie auf, die experimentelle Ergebnisse berichtete, die in superflüssigem Helium-4 innerhalb eines engen Temperaturbereichs erhalten wurden. Supraflüssigkeiten sind Flüssigkeiten, die ohne Widerstand und damit ohne Verlust an kinetischer Energie fließen können. Wenn sie gerührt werden, bilden sie Wirbel, die sich endlos drehen.

„Indem wir dieses Modell validieren und zeigen, dass es die Bewegung von Wirbeln in einem weiten Temperaturbereich beschreibt, bestätigen wir eine universelle Regel für dieses Phänomen“, sagte Wei Guo, außerordentlicher Professor für Maschinenbau am FAMU-FSU College of Engineering . „Diese Entdeckung kann die Entwicklung fortschrittlicher theoretischer Modelle der Quantenfluidturbulenz unterstützen.“

In dem vorheriges Studium, verfolgten Guo und sein Team die Wirbelröhren, die in superflüssigem Helium-4 auftauchten, einer Quantenflüssigkeit, die bei extrem niedrigen Temperaturen existiert. In dieser Forschung verwendete das Team winzige Partikel, die in den Wirbeln gefangen waren, um ihre Bewegung zu verfolgen. Sie fanden heraus, dass sich die Wirbel viel schneller ausbreiteten, als man aufgrund der scheinbar zufälligen Bewegung der Röhren erwarten würde. Diese schnelle Ausbreitung ist als Superdiffusion bekannt.

In der neuesten Arbeit bauten die Forscher ein numerisches Modell und verwendeten Erkenntnisse aus ihrer früheren Studie, um die Genauigkeit des Modells durch Reproduktion experimenteller Ergebnisse zu validieren. Dadurch konnten sie vorhersagen, wie sich Wirbelröhren in Supraflüssigkeiten in einem größeren Temperaturbereich bilden und ausbreiten könnten. Die Simulation lieferte auch eindeutige Beweise für den physikalischen Mechanismus, den die Autoren zur Erklärung der beobachteten Vortex-Superdiffusion vorgeschlagen haben.

Die Forscher wollen die Turbulenz in Quantenflüssigkeiten sowohl für die Grundlagenforschung als auch für den möglichen Einsatz in praktischen Anwendungen wie der Herstellung von Nanodrähten verstehen. Wirbelröhren ziehen Partikel an, die sich in unglaublich dünnen Linien gruppieren. Die Steuerung dieses Prozesses ermöglicht die Herstellung sogenannter Nanodrähte, deren Dicke in Nanometern gemessen wird.

„Partikeldispersion in turbulenten Strömungen ist ein sehr aktives Thema auf dem Gebiet der klassischen Turbulenz, aber es hat in der Quantenfluid-Community weniger Aufmerksamkeit erhalten“, sagte Yuan Tang, Co-Hauptautor und Postdoktorand am National mit Hauptsitz an der FSU Hochfeld-Magnetlabor. „Unsere Arbeit könnte weitere zukünftige Forschungen zur Teilchendispersion in Quantenflüssigkeiten anregen.“

Zu den Co-Autoren des Papers gehören Satoshi Yui und Makoto Tsubota von der Osaka Metropolitan University, Japan, und Hiromichi Kobayashi von der Keio University, Japan. Dieses Papier wurde ausgewählt von Briefe zur körperlichen Überprüfung als Vorschlag der Redaktion.