作者戴安娜·安德森，阿尔贡国家实验室 一个旋转的和一个静止的两个bec的合并动力学
顶行显示了每个液滴的密度演化，底行显示了角动量转移
角动量的转移是由于界面上自发出现的螺旋状结构
学分:纳米材料中心
如果一滴奶精从勺子里掉到一杯旋转的咖啡里，漩涡就会把奶精卷起来
但是如果咖啡没有摩擦力——没有办法让水滴同步旋转，会发生什么呢？ 超流体——也称为量子流体——出现在广泛的系统和应用中
例如，在中子星合并过程中，宇宙超流相互融合，科学家使用超流氦来冷却磁共振成像(MRI)机器
这种流体具有独特而有用的性质，由量子力学控制——这是一个通常用来描述非常小的领域的框架
然而，对于超流体来说，这些量子力学性质在更大的宏观尺度上占主导地位
例如，超流体缺乏粘性，这是一种内部摩擦，允许流体抵抗并引起运动
这种粘度的缺乏赋予了液体不同寻常的能力，比如在没有能量损失的情况下自由通过管道，或者保持静止在旋转的容器中
但是当谈到旋转运动时，科学家们很难理解旋转的超流体是如何传递角动量的——这种性质可以说明液体旋转的速度有多快
在最近的一项研究中，来自美国的科学家
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能源部阿贡国家实验室与佛罗里达州塔拉哈西的国家高磁场实验室和日本大阪市立大学的科学家合作，对合并旋转的超流体进行了先进的计算机模拟，揭示了一种特殊的螺旋状机制，可以在不需要粘度的情况下驱动流体旋转
当一个旋转的雨滴落入池塘时，粘性使雨滴带动周围的水旋转，在这个过程中产生漩涡或涡流
这种粘性阻力减小了两个物体之间的运动差异
然而，超流体允许这种差异
螺旋机制，显示在BEC样品的密度图像(左)和角动量转移图像(右)
学分:佛罗里达州立大学
“与经典流体中的涡流不同，当超流体传递角动量时，原子大致停留在相同的位置，”美国能源部下属科学用户机构阿贡纳米材料中心的科学家金说
“超流体原子通过量子力学相互作用传递角动量比通过粒子对流更有效
" 这些量子力学相互作用产生了一种令人着迷的效果，在该团队使用CNM的碳计算机集群进行的模拟中展示了这种效果
科学家们模拟了一种叫做玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的超流态物质的旋转液滴和静止液滴的融合
“我们选择模拟玻色-爱因斯坦凝聚体，因为它们是相对普通的超流体系统，显示出各种量子流体共有的特性，”佛罗里达州立大学(FSU)教授、磁实验室研究员郭玮说
郭在物理系的研究生Toshiaki Kanai领导了这次模拟的设计，模拟了两个水滴从接触到完全融合的相互作用
大阪市立大学教授、量子流体模拟专家津田真由也参与了项目设计并解释了结果
“我们特别幸运地在与金合作，他帮助我们解决了许多技术难题，”金的长期合作者郭说，“Argonne拥有计算机集群和其他计算资源，使我们能够在不同条件下多次有效地执行模拟，以获得系统的结果
" 当液滴彼此靠近时，螺旋形会自发出现并延伸到两个液滴中，在尺寸和影响力上不断增长，直到两个液滴混合并以相同的速度旋转
“它不只是看起来像一个开瓶器——它的功能也是相似的，”金说
“它通过扭转样品来传递角动量，使样品加速或减速旋转
" 模拟结果适用于许多不同尺寸的实验室BEC系统，从几十纳米到几百微米——或百万分之一米
这个结果也适用于更大的超流体系统
尽管尺度不同，所有超流体系统都表现出与其量子性质相关的共同基本性质
“虽然我们关注的是一个非常小的系统，但结果是普遍的，”郭说
“我们对这些相互作用如何发生的深入了解可以帮助物理学家了解从纳米级超冷原子到天体物理系统中宇宙级超流体的系统模型
" 例如，超流氦可以在厘米和米的尺度上存在，中子星中的bec在尺寸上可以是天文数字
当中子星合并时，它们在某些方面表现为两个非常大的旋转超流体滴，螺旋机制的发现可以为这些合并的天体物理模型提供信息
科学家们希望通过实验来检验他们对螺旋机制的理论发现
量子液体在冷原子系统、超流体、超导体等方面都有应用，对它们行为的基础科学研究将有助于开发这些系统的应用
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