Квантовая турбулентность
-
Квантовая турбулентность
- Турбулентность в квантовых жидкостях, таких как сверхтекучие жидкости, возникает из-за квантованных вихревых линий.
- Идея о квантовой турбулентности была предложена Ричардом Фейнманом.
-
Свойства квантовых жидкостей
- Квантовые жидкости существуют при температурах ниже критической температуры конденсации Бозе-Эйнштейна.
- Примеры квантовых жидкостей: сверхтекучий гелий, конденсаты Бозе-Эйнштейна, поляритонные конденсаты и ядерная паста.
-
Сверхтекучесть
- Сверхтекучесть возникает из-за дисперсионного соотношения элементарных возбуждений.
- Жидкости, проявляющие сверхтекучесть, текут без вязкости.
- Ландау предсказал, что при превышении критической скорости тепловые возбуждения испускаются, и жидкость перестает быть сверхтекучей.
-
Квантованная циркуляция
- Квантованная циркуляция возникает из-за сложной макроскопической волновой функции.
- Скорость и плотность жидкости могут быть восстановлены по волновой функции.
- Циркуляция определяется как линейный интеграл по замкнутому пути внутри жидкости.
-
Свойства вихревых линий
- Вихревые линии — это дефекты топологических линий фазы.
- Размер вихревого ядра варьируется в зависимости от квантовой жидкости.
- Вихри подчиняются классической теореме Кельвина о циркуляции.
-
Волны Кельвина и вихревые пересоединения
- Вихри поддерживают волны Кельвина, которые отклоняются от прямолинейной конфигурации.
- Вихри могут взаимодействовать друг с другом, что приводит к изменению топологии конфигурации.
-
Вихревая решетка
- Вихревые решетки — это упорядоченные конфигурации вихревых линий.
- Критическая скорость для появления вихревой решетки зависит от радиуса сосуда и размера вихревого ядра.
-
Состояния с большим количеством вихрей
- Вихри выстраиваются в упорядоченные конфигурации при превышении критических скоростей.
- Вихревые решетки формируются при дальнейшем увеличении вращения.
-
Двухжидкостная теория Тисы и Ландау
- При ненулевой температуре гелий II состоит из сверхтекучей и обычной жидких компонентов.
- При малых скоростях уравнения описывают сохранение массы и энтропии.
-
Классическая и квантовая турбулентность
- Квантовая турбулентность — это случайное переплетение вихревых линий.
- Классическая турбулентность — это турбулентность классических жидкостей, наблюдаемая в потоках.
-
Энергетический каскад Колмогорова
- В классических жидкостях энергетический спектр имеет форму k^-5/3.
- В квантовых жидкостях энергетический спектр также имеет форму k^-5/3, но с другой константой C.
-
Эксперименты и численное моделирование
- Эксперименты подтверждают энергетический спектр Колмогорова в квантовых жидкостях.
- Численное моделирование подтверждает эффект энергетического каскада Колмогорова.
-
Затухание квантовой турбулентности
- Квантовая турбулентность затухает даже при очень низких температурах.
-
Волновой каскад Кельвина
- Волны Кельвина взаимодействуют и создают более короткие волны, которые рассеивают энергию.
- Процесс называется волновым каскадом Кельвина и распространяется на отдельные вихри.
- Низкотемпературная квантовая турбулентность состоит из двойного каскада: режима Колмогорова и каскада волн Кельвина.
-
Турбулентность Винена
- Турбулентность Винена возникает при низких энергозатратах и предотвращает образование крупномасштабных структур.
- Энергетический спектр достигает максимума на промежуточных уровнях, а не в больших масштабах.
- Турбулентность Винена проявляется как почти полностью случайный поток с слабым энергетическим каскадом.
-
Затухание квантовой турбулентности
- Турбулентность Колмогорова затухает быстрее, чем турбулентность Винена.
- Энергия затухает по мере t-1, а плотность вихревых линий по мере t-1.
-
Турбулентность в атомных конденсатах
- Турбулентность в атомных конденсатах изучена недавно и содержит меньше вихрей.
- Численное моделирование показывает, что турбулентность более вероятна в режиме Винена.
-
Генерация и обнаружение квантовой турбулентности
- Физическая генерация квантовой турбулентности включает внезапное перемещение сетки, перемещение жидкости, вращение пропеллеров, создание ударных волн и кавитации.
- Обнаружение квантовой турбулентности включает измерение затухания вторых звуковых волн, градиентов температуры или давления, ионов, захваченных вихрями, и использование трассирующих частиц.
- В 3He-B и атомарных конденсатах квантовая турбулентность может быть обнаружена ядерным магнитным резонансом и рассеянием тепловых квазичастиц.