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工程研究人员对二维超流体中涡旋的形成提出了新的解释

FAMU-FSU 工程学院和国家高磁场实验室的研究人员对一种量子流体中涡旋的形成有了新的认识,这项工作可以帮助我们理解涡旋簇如何形成的物理奥秘,并提供有价值的理解进入地球和木星等行星上的大气漩涡运动。

研究人员揭示了在二维超流体中形成所谓的昂萨格涡旋的另一种解释,这种二维超流体是一种可以无摩擦流动的量子流体。他们的发现发表在《物理评论快报》上。

“这一发现为我们对这些涡旋可能如何形成提供了新的解释,是继续提高我们对量子物理学理解的重要一步,”机械工程副教授兼该研究的首席研究员郭伟说。

1949 年,诺贝尔奖获得者拉尔斯·昂萨格 (Lars Onsager) 提出了一个简单的理论,该理论与我们对二维湍流流体中涡旋运动的理解有关,湍流是限制在二维空间中运动的流体。

Onsager 的理论说,当不断将能量添加到具有混沌小漩涡(正式称为涡流)的 2D 湍流流体中时,当能量足够高时,这些向同一方向旋转的漩涡会聚集形成大规模的持续漩涡。这些星团或大规模漩涡被称为“昂萨格涡旋”。木星的大红斑就是一个很好的例子。

“昂萨格的理论需要将能量添加到二维流体中,”郭说。“然而,最近的出版物表明,在二维玻色-爱因斯坦凝聚体 (BEC) 中,昂萨格涡旋可以在没有能量输入的情况下自发出现。我们着手对这些令人惊讶的结果进行更多调查。”

BEC 是一种物质状态,其中相同的原子或分子被激光或磁阱限制并冷却到接近绝对零。处于 BEC 状态的粒子占据相同的量子力学能级,可以表现出超流体行为,例如在没有明显动能损失的情况下流动和围绕称为涡流管的微小空心管旋转。通过适当的陷阱,BEC 可以被限制为具有准二维圆盘形状,即厚度小但半径大的形状。二维 BEC 中的涡流管看起来像微小的点漩涡,可以作为 Onsager 理论的理想测试平台。

“对二维圆盘 BEC 中 Onsager 涡旋自发出现的一个公认的解释是蒸发加热机制,”郭说。“这种机制指的是物理学家所说的涡旋湮灭,即一对旋转相反的涡旋合并消失,就像正电荷与负电荷中和一样。”

“随着涡流湮灭,每个涡流的能量增加,从而导致昂萨格涡流的形成,”在国家强磁场实验室与郭一起工作的研究生 Toshiaki Kanai 说。

然而,在 Kanai 和 Guo 在研究二维湍流涡旋运动时进行的数值模拟中,BEC 被限制在球体表面,他们发现尽管涡旋对消失了,但 Onsager 涡旋从未形成。研究人员随后对圆盘 BEC 和球壳 BEC 中的涡流动力学进行了比较研究。

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