by FLEET 图1
涡流流体中的膨胀
非均匀涡流流体膨胀形成兰金涡流
(深色代表高密度
)
信用:FLEET 一项由澳大利亚人领导的研究为旋转超流体的行为提供了新的见解
超流体的一个决定性特征是它们呈现出量化的旋涡——它们只能以一个、两个或另一个整数的旋转量旋转
尽管这与经典流体有着重要的区别，在经典流体中，涡流可以以任何强度旋转，但在经典流体和量子流体中，涡流的集体动力学的许多特征是相似的
然而，在这项研究中，昆士兰大学的FLEET团队证明了经典流体和量子流体在行为上的一个明显差异
作者考虑了涡团的膨胀，表明对于任何量化涡的初始排列，都会形成一个“朗肯”超涡
“超流体中许多旋涡的行为通常是混乱的，理论上很难描述，”第一作者奥利弗·斯托克代尔解释道
“我们的研究通过提供涡流动力学的精确解克服了这一挑战
" 该解表明，一簇手征涡旋(所有涡旋都沿同一方向旋转)膨胀形成恒定密度分布，其形状类似于礼帽
这种涡流分布被称为兰金涡流，在经典流体中由于其粘性而被禁止
图2
高斯初始涡流分布扩展形成兰金涡流
(数值模拟
)
信用:FLEET 为什么所有的超流体最终都变成朗肯分布 “超流体的粘度为零，可以支持兰金涡旋，”奥利弗解释道
这一发现的惊人结果是，所有旋涡的初始分布，不管它们是如何排列的，都会膨胀形成朗肯旋涡
这种长时间的等效行为被称为宇宙动力学，它展示了超流体如何通过量化涡旋耗散能量的机制
" 作者采用了一个最近发展起来的理论，将涡流本身描述为流体
“正如流体力学描述了许多流体粒子的行为一样，它也可以用来描述许多涡流的运动，这些涡流在普通流体中形成‘涡流流体’”，合著者马特·里夫斯说
“然而，涡流流体表现出额外的‘异常’应力；这些额外的力的产生是由于涡流的性质限制了它们的旋转被量化
异常项给出了异常的流体行为，包括负的粘度
本质上，负粘度导致了与正常经典流体完全相反的行为——它使涡流密度梯度变陡，直到分布变成朗肯涡流
“涡流理论中的一个膨胀例子可以在图2中看到
1，其中初始非均匀涡流流体膨胀形成兰金涡流
图3
实验涡旋中，团簇膨胀后出现朗肯涡旋(右侧白色圆圈突出显示)
信用:FLEET 为了支持他们的理论发现，作者通过计算模拟了数千个旋涡的动力学
与将涡流描述为流体相反，这些模拟将每个涡流视为单独的实体
与涡流流体理论一样，作者发现任何初始涡流分布都会膨胀形成朗肯涡流
数值结果的一个例子可见于图
2，其中高斯初始分布扩展形成兰金涡流
最后，作者分析了一个实验的数据，该实验观察到了一个真实超流中的涡旋群的膨胀，这是用超冷的铷原子产生的
“虽然涡流流体理论假设存在许多涡流，但实验只能产生大约11个涡流
项目负责人马修·戴维斯教授解释说:“尽管涡旋数很低，但有证据表明，兰金涡旋是在星团扩张后出现的。”
实验旋涡可以在图2中看到
3，由白色圆圈突出显示
这项研究不仅为复杂的涡旋流体理论提供了第一个解决方案，也为该理论提供了第一次实验验证
该实验定量预测了该理论的关键特征，并展示了进一步测试兰金涡旋特性的平台，例如支持模拟分数量子霍尔效应的预测
旋涡是超流体系统中普遍存在的现象
为了实现FLEET生产超高效超流晶体管的目标，需要对涡流在流动超流中的行为有更全面的了解
舰队团队的这项研究是迈向这种晶体管的一步
论文“耗散二维超流体中涡旋团簇膨胀的普遍动力学”发表在2020年7月的《物理评论研究》上
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
