Ingenieurforscher visualisieren die Bewegung von Wirbeln in Superfluid-Turbulenzen

Ingenieurforscher visualisieren die Bewegung von Wirbeln in Superfluid-Turbulenzen

Eine Abbildung zeigt Quantenwirbelröhren, die einer scheinbaren Superdiffusion unterliegen. Die weißen Punkte stellen eingeschlossene Partikel dar, die die Forscher verfolgt haben, um die Bewegung der Röhren zu visualisieren und zu verfolgen, und die roten Linien repräsentieren die zufälligen Muster, die die Partikel zurückgelegt haben. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung von Wei Guo

Nobelpreisträger für Physik Richard Feynman beschrieb Turbulenzen einmal als “das wichtigste ungelöste Problem der klassischen Physik”.

Das Verständnis der Turbulenzen in klassischen Flüssigkeiten wie Wasser und Luft ist teilweise aufgrund der Herausforderung bei der Identifizierung der in diesen Flüssigkeiten wirbelnden Wirbel schwierig. Das Lokalisieren von Wirbelrohren und das Verfolgen ihrer Bewegung könnte die Modellierung von Turbulenzen erheblich vereinfachen.

Diese Herausforderung ist jedoch bei Quantenflüssigkeiten einfacher, die bei Temperaturen existieren, die so niedrig sind, dass die Quantenmechanik – die sich mit Physik auf der Skala von Atomen oder subatomaren Teilchen befasst – ihr Verhalten bestimmt.

In einer neuen Studie veröffentlicht in Verfahren der Nationalen Akademie der WissenschaftenDen Forschern der Florida State University gelang es, die Wirbelröhren in einer Quantenflüssigkeit zu visualisieren. Diese Erkenntnisse könnten den Forschern helfen, Turbulenzen in Quantenflüssigkeiten und darüber hinaus besser zu verstehen.

“Unsere Studie ist nicht nur wichtig, weil sie unser Verständnis von Turbulenzen im Allgemeinen erweitert, sondern auch, weil sie den Studien verschiedener physikalischer Systeme zugute kommen könnte, an denen auch Wirbelröhren wie Supraleiter und sogar Neutronensterne beteiligt sind”, sagte Wei Guo, ein Mitarbeiter Professor für Maschinenbau am FAMU-FSU College of Engineering und Hauptforscher der Studie.

Das Forscherteam untersuchte das Superfluid Helium-4, eine Quantenflüssigkeit, die bei extrem niedrigen Temperaturen existiert und ohne offensichtliche Reibung für immer durch einen engen Raum fließen kann.

Guos Team untersuchte in den Wirbeln eingeschlossene Tracerpartikel und stellte zum ersten Mal fest, dass sich Wirbelröhren beim Auftreten in einem zufälligen Muster bewegten und sich im Durchschnitt schnell von ihrem Ausgangspunkt entfernten. Die Verschiebung dieser eingeschlossenen Tracer schien mit der Zeit viel schneller zuzunehmen als bei der regulären molekularen Diffusion – ein Prozess, der als Superdiffusion bekannt ist.

Die Analyse des Geschehens führte dazu, dass sie herausfanden, wie sich die Wirbelgeschwindigkeiten im Laufe der Zeit änderten. Dies ist eine wichtige Information für die statistische Modellierung von Quantenfluid-Turbulenzen.

Ingenieurforscher visualisieren die Bewegung von Wirbeln in Superfluid-Turbulenzen

Von links Wei Guo, außerordentlicher Professor für Maschinenbau am FAMU-FSU College of Engineering, und Yuan Tang, Postdoktorand am National High Magnetic Field Laboratory, vor dem Versuchsaufbau. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung von Wei Guo

“Superdiffusion wurde in vielen Systemen beobachtet, wie dem zellulären Transport in biologischen Systemen und den Suchmustern menschlicher Jäger und Sammler”, sagte Guo. “Eine etablierte Erklärung für Superdiffusion für Dinge, die sich zufällig bewegen, ist, dass sie gelegentlich außergewöhnlich lange Verschiebungen aufweisen, die als Lévy-Flüge bekannt sind.”

Nach der Analyse ihrer Daten kam Guos Team jedoch zu dem Schluss, dass die Superdiffusion der Tracer in ihrem Experiment nicht tatsächlich durch Lévy-Flüge verursacht wurde. Es passierte etwas anderes.

“Wir haben schließlich herausgefunden, dass die beobachtete Superdiffusion durch die Beziehung zwischen den Wirbelgeschwindigkeiten zu verschiedenen Zeiten verursacht wurde”, sagte Yuan Tang, Postdoktorand am National High Magnetic Field Laboratory und Papierautor. “Die Bewegung jedes Wirbelsegments schien anfangs zufällig zu sein, aber tatsächlich korrelierte die Geschwindigkeit eines Segments zu einem Zeitpunkt positiv mit seiner Geschwindigkeit zum nächsten Mal. Diese Beobachtung hat es uns ermöglicht, einige versteckte generische statistische Eigenschaften von a aufzudecken chaotisches zufälliges Wirbelgewirr, das in mehreren Bereichen der Physik nützlich sein könnte. “

Im Gegensatz zu klassischen Flüssigkeiten sind Wirbelrohre in superfluidem Helium-4 stabile und genau definierte Objekte.

“Es sind im Wesentlichen winzige Tornados, die in einem chaotischen Sturm wirbeln, aber extrem dünne Hohlkerne haben”, sagte Tang. “Man kann sie nicht mit bloßem Auge sehen, nicht einmal mit dem stärksten Mikroskop.”

“Um dies zu lösen, haben wir unsere Experimente im Kryotechniklabor durchgeführt, wo wir Tracerpartikel in Helium hinzugefügt haben, um sie sichtbar zu machen”, fügte Shiran Bao hinzu, Postdoktorand am National High Magnetic Field Laboratory und Papierautor.

Die Forscher injizierten eine Mischung aus Deuteriumgas und Heliumgas in das kalte superfluide Helium. Bei der Injektion verfestigte sich das Deuteriumgas und bildete winzige Eispartikel, die die Forscher als Tracer in der Flüssigkeit verwendeten.

“Genau wie Tornados in der Luft Blätter in der Nähe ansaugen können, können unsere Tracer auch in Helium an den Wirbelrohren in Helium hängen bleiben”, sagte Guo.

Diese Visualisierungstechnik ist nicht neu und wurde von Wissenschaftlern in Forschungslabors weltweit verwendet. Der Durchbruch dieser Forscher bestand jedoch darin, einen neuen Algorithmus zu entwickeln, mit dem sie die auf Wirbeln eingeschlossenen Tracer von den nicht eingeschlossenen unterscheiden konnten.


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Mehr Informationen:
Yuan Tang et al., Superdiffusion quantisierter Wirbel, die Skalierungsgesetze in Quantenturbulenzen aufdecken, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2021). DOI: 10.1073 / pnas.2021957118

Journalinformationen:
Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften

Bereitgestellt von der Florida State University

Zitat: Ingenieurforscher visualisieren die Bewegung von Wirbeln in Superfluid-Turbulenzen (2021, 8. April), abgerufen am 9. April 2021 von https://phys.org/news/2021-04-visualize-motion-vortices-superfluid-turbulence.html

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