FAMU-FSU 工程學(xué)院和國(guó)家高磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室的研究人員對(duì)一種量子流體中渦旋的形成有了新的認(rèn)識(shí)，這項(xiàng)工作可以幫助我們理解渦旋簇如何形成的物理奧秘，并提供有價(jià)值的理解進(jìn)入地球和木星等行星上的大氣漩渦運(yùn)動(dòng)。
研究人員揭示了在二維超流體中形成所謂的昂薩格渦旋的另一種解釋，這種二維超流體是一種可以無(wú)摩擦流動(dòng)的量子流體。他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。
“這一發(fā)現(xiàn)為我們對(duì)這些渦旋可能如何形成提供了新的解釋，是繼續(xù)提高我們對(duì)量子物理學(xué)理解的重要一步，”機(jī)械工程副教授兼該研究的首席研究員郭偉說(shuō)。
1949 年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者拉爾斯·昂薩格 (Lars Onsager) 提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的理論，該理論與我們對(duì)二維湍流流體中渦旋運(yùn)動(dòng)的理解有關(guān)，湍流是限制在二維空間中運(yùn)動(dòng)的流體。
Onsager 的理論說(shuō)，當(dāng)不斷將能量添加到具有混沌小漩渦(正式稱為渦流)的 2D 湍流流體中時(shí)，當(dāng)能量足夠高時(shí)，這些向同一方向旋轉(zhuǎn)的漩渦會(huì)聚集形成大規(guī)模的持續(xù)漩渦。這些星團(tuán)或大規(guī)模漩渦被稱為“昂薩格渦旋”。木星的大紅斑就是一個(gè)很好的例子。
“昂薩格的理論需要將能量添加到二維流體中，”郭說(shuō)。“然而，最近的出版物表明，在二維玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體 (BEC) 中，昂薩格渦旋可以在沒(méi)有能量輸入的情況下自發(fā)出現(xiàn)。我們著手對(duì)這些令人驚訝的結(jié)果進(jìn)行更多調(diào)查。”
BEC 是一種物質(zhì)狀態(tài)，其中相同的原子或分子被激光或磁阱限制并冷卻到接近絕對(duì)零。處于 BEC 狀態(tài)的粒子占據(jù)相同的量子力學(xué)能級(jí)，可以表現(xiàn)出超流體行為，例如在沒(méi)有明顯動(dòng)能損失的情況下流動(dòng)和圍繞稱為渦流管的微小空心管旋轉(zhuǎn)。通過(guò)適當(dāng)?shù)南葳?，BEC 可以被限制為具有準(zhǔn)二維圓盤(pán)形狀，即厚度小但半徑大的形狀。二維 BEC 中的渦流管看起來(lái)像微小的點(diǎn)漩渦，可以作為 Onsager 理論的理想測(cè)試平臺(tái)。
“對(duì)二維圓盤(pán) BEC 中 Onsager 渦旋自發(fā)出現(xiàn)的一個(gè)公認(rèn)的解釋是蒸發(fā)加熱機(jī)制，”郭說(shuō)。“這種機(jī)制指的是物理學(xué)家所說(shuō)的渦旋湮滅，即一對(duì)旋轉(zhuǎn)相反的渦旋合并消失，就像正電荷與負(fù)電荷中和一樣。”
“隨著渦流湮滅，每個(gè)渦流的能量增加，從而導(dǎo)致昂薩格渦流的形成，”在國(guó)家強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室與郭一起工作的研究生 Toshiaki Kanai 說(shuō)。
然而，在 Kanai 和 Guo 在研究二維湍流渦旋運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行的數(shù)值模擬中，BEC 被限制在球體表面，他們發(fā)現(xiàn)盡管渦旋對(duì)消失了，但 Onsager 渦旋從未形成。研究人員隨后對(duì)圓盤(pán) BEC 和球殼 BEC 中的渦流動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了比較研究。
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