佛罗里达州立大学特里莎·拉德洛维奇 显示量子涡流管经历明显超扩散的图解
白点代表被捕获的粒子，研究人员跟踪这些粒子来观察和跟踪管道的运动，红线代表粒子移动的随机模式
信用:由郭玮提供 诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼曾将湍流描述为“经典物理学中最重要的未解决的问题”
" 理解像水和空气这样的经典流体中的湍流是困难的，部分原因是在识别这些流体中的涡流方面存在挑战
定位涡流管并跟踪它们的运动可以极大地简化湍流的建模
但这一挑战在量子流体中更容易，量子流体存在于足够低的温度下，量子力学——处理原子或亚原子粒子尺度的物理——控制着它们的行为
在《美国国家科学院院刊》发表的一项新研究中，佛罗里达州立大学的研究人员成功地将量子流体中的涡流管可视化，这一发现有助于研究人员更好地理解量子流体及其以外的湍流
“我们的研究很重要，不仅因为它拓宽了我们对湍流的总体理解，还因为它有利于对各种物理系统的研究，这些物理系统也包括涡流管，比如超导体，甚至中子星，”FAMU-FSU工程学院机械工程副教授、该研究的首席研究员郭玮说
研究小组研究了超流氦-4，这是一种存在于极低温度下的量子流体，可以在没有明显摩擦的情况下永远沿着狭窄的空间流动
郭的研究小组检查了困在漩涡中的示踪粒子，并首次观察到，当漩涡管出现时，它们以随机模式移动，平均而言，迅速远离它们的起点
这些被捕获的示踪剂的位移似乎随着时间的推移而增加，比常规分子扩散(一种被称为超扩散的过程)快得多
通过分析发生的事情，他们发现了涡流速度是如何随时间变化的，这是量子流体湍流统计建模的重要信息
左起，FAMU-FSU工程学院机械工程副教授郭玮和国家强磁场实验室博士后研究员唐远站在实验装置前
信用:由郭玮提供 郭说:“在许多系统中都观察到了超扩散现象，例如生物系统中的细胞运输和人类狩猎采集者的搜索模式。”
“对于随机运动的物体，超扩散的一个既定解释是，它们偶尔会有异常长的位移，这就是众所周知的李维飞行
" 但在分析了他们的数据后，郭的团队得出结论，他们实验中示踪剂的超扩散实际上不是由李维飞行引起的
其他事情正在发生
“我们最终发现，我们观察到的超扩散是由不同时间的涡流速度之间的关系引起的，”国家高磁场实验室博士后研究员、论文作者唐远说
“每个涡流段的运动最初似乎是随机的，但实际上，一个涡流段在某一时刻的速度与其在下一时刻的速度正相关
这一观察让我们发现了混沌随机涡旋缠结的一些隐藏的一般统计性质，这在物理学的多个分支中都是有用的
" 与经典流体不同，超流氦-4中的涡流管是稳定且定义明确的物体
“它们本质上是微小的龙卷风，在混乱的风暴中旋转，但是有着极薄的中空核心，”唐说
“你不能用肉眼看到它们，即使用最强的显微镜也不行
" “为了解决这个问题，我们在低温实验室进行了实验，在那里我们在氦中加入了示踪粒子来可视化它们，”国家强磁场实验室的博士后研究员、论文作者施兰宝补充道
研究人员将氘气和氦气的混合物注入冷超流氦中
注射后，氘气固化并形成微小的冰颗粒，研究人员将其用作流体中的示踪剂
郭说:“就像空气中的龙卷风会吸入附近的树叶一样，当我们的示踪剂靠近氦涡流管时，它们也会被困在涡流管上。”
这种可视化技术并不新鲜，已经被世界各地的研究实验室的科学家使用，但这些研究人员取得的突破是开发了一种新的算法，使他们能够区分被困在涡流上的示踪剂和未被困的示踪剂
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