昆士兰大学的博士生奥利弗·斯托克代尔(Oliver Stockdale)领导了这项新的漩涡研究
澳大利亚领导的一项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表现出使量子化漩涡-它们只能旋转一个，或两个，或另一个整数的旋转量。
尽管这与经典流体的关键不同，在经典流体中漩涡可以以任何强度旋转，但经典流体和量子流体中漩涡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之间的一个明显差异。作者考虑了涡簇的扩展，以表明对于任何初始的量化涡排列，都会形成一个“兰金”超级涡。
“超流体中许多漩涡的行为通常是混乱的，很难从理论上描述，”主要作者奥利弗·斯托克代尔解释说。“我们的研究通过提供涡流动力学的精确解决方案克服了这一挑战。”
解决方案表明，一簇手性涡(都在同一方向旋转的涡)扩张形成一个密度恒定的分布，具有类似于礼帽的形状。这种涡的分布被称为兰金涡，由于它们的粘度，在经典流体中是被禁止的。
为什么所有超流体最终都会变成兰金分布
图1。涡旋流体内的膨胀。非均匀涡旋流体膨胀形成朗肯涡旋。(深色代表高密度。)
奥利弗解释说:“超流体粘度为零，可以形成兰金涡。”“这一发现的惊人结果是所有涡流的初始分布，无论它们如何排列，都会扩张形成兰金涡。这种长时间的等效行为被称为宇宙动力学，并证明了超流体如何通过量化涡耗散能量的机制。”
作者采用了最近发展起来的描述旋涡的理论自己作为流体。
“就像流体力学描述了许多流体粒子的行为一样，它可以用来描述许多漩涡的运动，这些漩涡在普通流体中形成了‘漩涡流体’，”合著者马特·里夫斯(Matt Reeves)说。
图2。高斯初始涡分布扩展形成朗肯涡。(数值模拟)。
“然而，漩涡流体表现出额外的‘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。
异常项给出了不寻常的流体行为，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——它使漩涡密度梯度变陡，直到分布成为兰金漩涡。”涡流体理论中的一个扩展例子可以在图1中看到，其中最初不均匀的涡流体膨胀形成朗肯涡。
为了支持他们的理论发现，作者计算模拟了数千个漩涡的动力学。与将漩涡描述为流体相反，这些模拟将每个漩涡视为一个单独的实体。与涡旋流体理论一样，作者发现任何初始涡旋分布都会扩张形成兰金涡旋。数值结果的一个例子可以在图2中看到，其中高斯初始分布扩展形成朗肯涡。
最后，作者分析了一项实验的数据，该实验观察了在真实超流体中涡簇的膨胀，该超流体是使用超冷铷原子创建的。
图3。在实验涡中，团簇扩张后出现朗肯涡(右边用白圈标出)。
“虽然漩涡流体理论假设存在许多漩涡，但实验只能产生大约11个漩涡。尽管涡旋数量很少，但有证据表明兰金涡旋是在星团扩张后出现的，”项目负责人马修·戴维斯教授解释说。实验涡可以在图3中看到，由白色圆圈突出显示。
这项研究不仅证明了复杂漩涡流体理论的第一个解决方案，而且提供了该理论的第一个实验测试。该实验定量地预测了理论的关键特征，并展示了一个平台来进一步测试兰金涡的性质，例如预测它支持模拟分数量子霍尔效应。
涡是超流体系统中普遍存在的现象。为实现FLEET的目标而努力生产超高效超流体晶体管，我们需要更全面地了解涡旋在流动超流体中的行为。FLEET团队的这项研究是朝着这种晶体管迈出的一步。
这项研究
这篇论文耗散二维超流体中涡团膨胀的普遍动力学发表于物理评论研究2020年7月(DOI 10.1103/PhysRevResearch.2.033138)。
这项研究是与ARC卓越工程量子系统中心(EQUS)，研究生院中国工程物理研究院，以及多德-沃尔斯光子和量子技术中心(新西兰)。
——作者Oliver Stockdale，昆士兰大学/FLEET