Les chercheurs élargissent la compréhension de la propagation des vortex dans les superfluides

Une équipe internationale de scientifiques composée de chercheurs de la Florida State University a développé un modèle qui prédit la propagation des vortex dans les soi-disant superfluides, un travail qui fournit de nouvelles informations sur la physique qui régit la turbulence dans les systèmes de fluides quantiques tels que les étoiles à neutrons superfluides.

Dans un article publié dans Lettres d’examen physique, les chercheurs ont créé un modèle qui décrit la propagation et la vitesse des tubes vortex en forme de tornade dans les superfluides. Les tubes vortex sont un ingrédient clé de la turbulence, qui est largement étudiée en physique classique. Le mouvement des tubes vortex est pertinent dans un large éventail de scénarios, tels que la formation d’ouragans, la transmission aérienne de virus et le mélange chimique dans la formation d’étoiles. Mais il est mal compris dans les fluides quantiques.

Ce travail s’étend sur une étude précédente qui a rapporté des résultats expérimentaux obtenus dans l’hélium-4 superfluide dans une plage de température étroite. Les superfluides sont des liquides qui peuvent s’écouler sans résistance, et donc sans perte d’énergie cinétique. Lorsqu’ils sont agités, ils forment des tourbillons qui tournent indéfiniment.

« En validant ce modèle et en montrant qu’il décrit le mouvement des tourbillons dans une large gamme de températures, nous confirmons une règle universelle pour ce phénomène », a déclaré Wei Guo, professeur agrégé de génie mécanique au FAMU-FSU College of Engineering. . « Cette découverte peut aider au développement de modèles théoriques avancés de la turbulence des fluides quantiques. »

Dans le étude précédente, Guo et son équipe ont tracé les tubes vortex qui sont apparus dans l’hélium-4 superfluide, un fluide quantique qui existe à des températures extrêmement basses. Dans cette recherche, l’équipe a utilisé de minuscules particules capturées dans les tourbillons pour suivre leur mouvement. Ils ont découvert que les tourbillons se propageaient beaucoup plus rapidement que ce à quoi on pourrait s’attendre en se basant sur le mouvement apparemment aléatoire des tubes. Cette propagation rapide est connue sous le nom de superdiffusion.

Dans les derniers travaux, les chercheurs ont construit un modèle numérique et utilisé les résultats de leur étude précédente pour valider la précision du modèle en reproduisant les résultats expérimentaux. Cela leur a permis de prédire comment les tubes vortex pourraient se former et se propager dans les superfluides à une plage de températures plus large. La simulation a également produit des preuves sans équivoque à l’appui du mécanisme physique proposé par les auteurs pour expliquer la superdiffusion vortex observée.

Les chercheurs visent à comprendre la turbulence dans les fluides quantiques pour les avantages de la recherche fondamentale ainsi que pour une utilisation possible dans des applications pratiques, telles que la fabrication de nanofils. Les tubes vortex attirent les particules qui se regroupent en lignes incroyablement fines. Le contrôle de ce processus permet la fabrication de ce qu’on appelle des nanofils, qui ont une épaisseur mesurée en nanomètres.

« La dispersion des particules dans un écoulement turbulent est un sujet très actif dans le domaine de la turbulence classique, mais il a reçu moins d’attention dans la communauté des fluides quantiques », a déclaré Yuan Tang, co-auteur principal et chercheur postdoctoral au National Laboratoire de champ magnétique élevé. « Notre travail pourrait stimuler davantage de recherches futures sur la dispersion des particules dans les fluides quantiques. »

Les co-auteurs de l’article incluent Satoshi Yui et Makoto Tsubota de l’Université métropolitaine d’Osaka, au Japon, et Hiromichi Kobayashi de l’Université Keio, au Japon. Cet article a été sélectionné par Lettres d’examen physique en tant que suggestion des éditeurs.