by FLEET
图1
UQ团队设计的简单测试系统模拟了圆形缺陷上的单个量化涡流散射
信用:FLEET 昆士兰大学的物理学家揭示了微小的漩涡是如何在超流中被障碍物卡住的
超流体是一种量子物质，可以在没有粘性的情况下流动，因此不会因摩擦而变慢
超流体的第二个决定性特征是，它们只支持定量旋转——漩涡只能以1、2或任何整数的强度旋转
这意味着，与经典流体不同的是，超流涡旋无限期地持续存在，并且不会失去它们的强度——然而，它们可以与其他以相反方向旋转的涡旋一起湮灭
超流的许多特性——比如它支持无耗散流动的能力——强烈依赖于旋涡的动力学
动力学的一个反复出现的共同特征是涡流对超流中缺陷的牵制和解除牵制
然而，到目前为止，还没有在零温度超流体中全面描述这些现象
在这项研究中，昆士兰大学低能量电子技术研究中心的研究人员揭示了二维超流体中涡旋钉扎和解钉的基本机制
图2
“保守”和“堕落”政权
信用:FLEET 一旦这种增强的涡流钉扎理论知识在超冷超流系统的实验中得到证实，扩展到室温超流系统将有助于未来超高能效超流电子学中的涡流控制
第一作者奥利弗·斯托克代尔解释说:“这个问题与一系列迥然不同的系统有关。”
“例如，用薄膜超流氦进行的实验经常会遇到涡流，这些涡流与纳米尺度的表面粗糙度造成的缺陷相互作用
" “然而，同样的问题也与天文尺度有关
用射电望远镜观察到的中子星突然旋转故障被认为是由1019个旋涡钉在恒星外壳上并随后被解开的结果
" 为了研究这种复杂的现象，UQ的作者设计了最简单的系统
他们数值模拟了圆形超流缺陷的单个量化涡旋散射，并描述了由此产生的动力学特性
一个简单的示意图可以在图1中看到
虽然系统本身相当简单，但支撑这一过程的物理学却相当丰富
“超流薄膜中涡旋钉扎的动力学机制”的补充视频 合著者马特·里夫斯说:“我们首先开发了一个分析模型，描述了涡旋在没有散射的情况下通过钉扎点的最慢动力学过程。”
“我们发现涡流通过缺陷的轨迹强烈依赖于它的初始位置
一些轨迹在通过缺陷时会经历明显的弯曲，而另一些则不会
" 在涡流运动非常缓慢的状态下，涡流永远不会固定在缺陷上
这就是所谓的保守政权
图2中可以看到一个示例轨迹
然而，如果漩涡开始于一个明显弯曲的轨迹上，漩涡可以以声音的形式辐射能量
如果它失去足够的能量，它会落在缺陷内的闭合轨迹上，并被钉死
图2中还显示了这种被称为“摔倒”的状态
对于这两种状态，漩涡的移动都相对较慢
当涡流以更快的速度接近缺陷时，它可以在缺陷内诱发涡流-反涡流对
接近的漩涡与新产生的反漩涡一起消失，留下新产生的漩涡被固定
在这里，能量损失以湮灭事件的形式通过声波的爆发出现
这个机制被称为“配对创建”机制，如图3所示
当漩涡移动得更快时，同样的成对过程发生了
然而，由于接近的涡流具有更多的能量，通过声音爆发释放的能量不足以将新产生的涡流保持在缺陷上
结果，新的涡流从缺陷逸出，并且没有钉扎发生
图3显示了这种状态的轨迹样本，称为“太快”状态
图3
“成对创造”和“太快”状态:快速接近漩涡；新的漩涡逃逸，没有钉扎
信用:FLEET “我们的分析揭示了这四种状态表征了超流涡旋和缺陷之间所有可能的相互作用和钉扎机制，”合著者马特·戴维斯解释道
“可以通过考虑涡流能量和声能的发射来识别每个状态，这对于涡流钉扎是至关重要的
" 随着现在对钉扎机制的理解，作者将他们的焦点转向了哪种类型的缺陷最能捕获漩涡
通过绘制涡流钉扎的相图作为涡流速度和初始位置的函数，他们发现强而小的缺陷在捕获涡流时最有效
奥利弗说:“随着我们对涡旋钉扎知识的增强，我们希望我们的理论工作现在可以在实验中实现。”
“我们预计，超冷原子气体超流将是检验我们预测的最佳设置，在超冷原子气体超流中，涡旋和钉扎缺陷可以被常规地产生和操纵
然而，像激子-极化子凝聚体这样的系统也是令人兴奋的探索对象，因为它们具有驱动耗散的特性和容纳室温超流的能力
" 理解超流体系统中的涡旋动力学对于FLEET开发超高效超流体晶体管的目标之一至关重要
这项研究通过更深入地了解如何控制超流中的涡流，朝着这个目标迈出了一步——这项任务可能需要减轻涡流造成的不利影响
论文“超流薄膜中涡旋钉扎的动力学机制”发表在2021年12月的《物理评论快报》上
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