Jump to content

Двумерная квантовая турбулентность

Турбулентные явления наблюдаются повсеместно в энергетической гидродинамике, связаны с крайне хаотичным движением жидкости и обычно связаны с возбуждениями, распространяющимися в широком диапазоне масштабов длины. Конкретные особенности турбулентности зависят от жидкости и геометрии, а также особенностей воздействия и диссипации.

В классических жидкостях завихренность жидкости представляет собой непрерывное поле, способное принимать любое значение в каждой точке жидкости, связанное с жидкостью, поддерживающей любое локальное значение вращения жидкости. Квантовые жидкости отличаются квантованной завихренностью - ограничением, налагаемым квантовой волновой функцией, которая описывает жидкость, когда она достигает сверхтекучего состояния; Способность жидкости образовывать квантовые вихри является наиболее широко используемым экспериментальным признаком сверхтекучести. Хотя квантовые жидкости также могут поддерживать классическую турбулентность, квантовая турбулентность включает в себя хаотическую динамику множества взаимодействующих квантовых вихрей . В сильно возбужденной объемной сверхтекучей жидкости множество вихревых линий взаимодействуют друг с другом, образуя квантовые турбулентные состояния. Когда классические жидкости ограничены движением только в плоскости, они демонстрируют изменение направления потока энергии во время турбулентности. Вместо трехмерного процесса, включающего образование меньших вращающихся вихрей, в двухмерных небольших вихрях наблюдается тенденция объединяться, образуя более крупные вращающиеся структуры.

Путем введения жесткого ограничения в одном направлении волновые возбуждения Кельвина вызывают искривление прямых вихревых линий. [ 1 ] может быть сильно подавлено, что способствует выравниванию вихря по оси жесткого удержания. Динамика вихрей может затем перейти в режим эффективного двумерного движения, эквивалентного точечным вихрям, движущимся по плоскости. [ 2 ] В общем, двумерная квантовая турбулентность (2DQT) может демонстрировать сложную феноменологию, включающую связанные вихри и звук в сжимаемых сверхтекучих жидкостях. Динамика квантовых вихрей может демонстрировать признаки турбулентности, включая степенной закон Колмогорова -5/3 , [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] квантовое проявление инерционного переноса энергии в большие масштабы, наблюдаемое в классических жидкостях, известное как обратный энергетический каскад. [ 6 ] [ 7 ]

Точечные вихри

[ редактировать ]

Модель точечного вихря , предложенная Гельмгольцем. [ 8 ] и Кирхгоф, [ 9 ] описывает движение идеальных точечных вихрей, ограниченных плоскостью, с прямым отображением в планарной электродинамике. [ 10 ] Модель играет центральную роль в изучении плоских течений Навье-Стокса и может быть реализована в сжимаемых сверхтекучих жидкостях, таких как ультрахолодные газовые конденсаты Бозе-Эйнштейна, когда длина заживления, определяющая размер ядра вихря, очень мала по сравнению с системой размер.

Отрицательная температура

[ редактировать ]

Онзагер предсказал, что точечные вихри, ограниченные конечной площадью, демонстрируют состояния с отрицательной температурой . [ 11 ] [ 12 ] Эту возможность отрицательной абсолютной температуры можно проследить до конечного фазового пространства системы точечных вихрей: в отличие от массивной частицы, движущейся по плоскости, каждый точечный вихрь имеет только две степени свободы . Задание пространственных координат вихря также полностью определяет сверхтекучую скорость. В ведущем порядке квантовый вихрь не имеет массы, при этом каждая нить движется вместе с чистым фоновым потоком и подчиняется определенной форме закона Био-Савара . Плазма с направляющим центром демонстрирует переход с нарушением симметрии при высокой энергии на вихрь, связанный с отрицательной температурой. [ 13 ] В бозе-эйнштейновских конденсатах аннигиляция вихревых диполей низкой энергии может повысить энергию, приходящуюся на вихрь. [ 14 ] до тех пор, пока в системе не произойдет самопроизвольное упорядочение в макроскопические вихревые кластеры одного знака, связанные с отрицательной температурой. [ 15 ] Кластерные состояния равновесия имеют высокую энергию на вихрь, причем кластеры образуются вследствие ограниченности фазового пространства ограниченных точечных вихрей.

Вынужденная турбулентность

[ редактировать ]

Вихри могут быть введены в плоскую сверхтекучую жидкость с помощью различных механизмов воздействия, таких как перетаскивание препятствий. [ 16 ] [ 17 ] или эллиптическое перемешивание [ 18 ] [ 19 ] которые вызывают локальное нарушение сверхтекучести, или с помощью механизмов, использующих резкую фазовую эволюцию при слиянии нескольких конденсатов. [ 20 ] или сам фазовый переход конденсата. [ 21 ]

Небольшое воздействие от соответствующего перетаскивания препятствия может привести к появлению небольших вихревых кластеров в плоской сверхтекучей жидкости. [ 22 ] [ 23 ] В сильно неравновесной квантовой гидродинамике кластерные состояния могут развиваться в результате устойчивого обратного каскада энергии из-за мелкомасштабного воздействия, что приводит к накоплению энергии в масштабе системы в виде макроскопического потока из-за вихревого упорядочения зарядов.

Сверхтекучие эксперименты

[ редактировать ]

Достижения в экспериментах с квантовыми жидкостями открыли доступ к режиму точечного вихря в сжимаемых сверхтекучих средах. Установлен режим 2DQT в ультрахолодных газах, [ 24 ] сверхтекучий гелий [ 25 ] и в экситон-поляритонных конденсатах, содержащих квантовые жидкости света. [ 26 ] Состояния с отрицательной температурой, предсказанные Онзагером, недавно наблюдались в системах с жесткими граничными условиями. [ 27 ] [ 28 ]

  1. ^ Симула, ТП; Мидзушима, Т; Мачида, К. (2008). «Вихревые волны в захваченных конденсатах Бозе-Эйнштейна». Физический обзор А. 78 (5): 053604. arXiv : 0809.0993 . Бибкод : 2008PhRvA..78e3604S . дои : 10.1103/PhysRevA.78.053604 . S2CID   118441972 .
  2. ^ Руни, С.Дж.; Блейки, П. Блэр; Андерсон, BP; Брэдли, AS (2011). «Подавление вызванного Кельвоном распада квантованных вихрей в сплюснутых конденсатах Бозе-Эйнштейна». Физический обзор А. 84 (2): 023637. arXiv : 1105.1189 . Бибкод : 2011PhRvA..84b3637R . дои : 10.1103/PhysRevA.84.023637 . S2CID   118641483 .
  3. ^ Novikov, E. A. (1975). "Dynamics and statistics of a system of vortices". Zhurnal Eksperimental'noi i Teoreticheskoi Fiziki . 68 : 1868–1882.
  4. ^ Ривз, Мэтью Т.; Биллам, Томас П.; Андерсон, Брайан П.; Брэдли, Эштон С. (04 марта 2013 г.). «Обратный энергетический каскад в вынужденной двумерной квантовой турбулентности» . Письма о физических отзывах . 110 (10): 104501. arXiv : 1209.5824 . Бибкод : 2013PhRvL.110j4501R . doi : 10.1103/PhysRevLett.110.104501 . ПМИД   23521262 . S2CID   9745274 . Проверено 17 декабря 2021 г.
  5. ^ Скауген, Аудун; Ангелута, Луиза (2017). «Происхождение обратного энергетического каскада в двумерной квантовой турбулентности». Физический обзор E . 95 (5): 1868. arXiv : 1610.04382 . Бибкод : 2017PhRvE..95e2144S . дои : 10.1103/PhysRevE.95.052144 . hdl : 10852/63199 . ПМИД   28618591 . S2CID   11934251 .
  6. ^ Крайчнан, Р.Х. (1967). «Инерционные диапазоны в двумерной турбулентности». Физика жидкостей . 10 (7): 1417–1423. Бибкод : 1967PhFl...10.1417K . дои : 10.1063/1.1762301 .
  7. ^ Рутгерс, Массачусетс (1998). «Вынужденная двумерная турбулентность: экспериментальное свидетельство одновременного каскада обратной энергии и прямой энстрофии». Письма о физических отзывах . 81 (11): 2244–2247. Бибкод : 1998PhRvL..81.2244R . doi : 10.1103/PhysRevLett.81.2244 .
  8. ^ Гельмгольц, Х. (1 января 1867 г.). «LXIII. Об интегралах гидродинамических уравнений, выражающих вихревое движение» . Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . 33 (226): 485–512. дои : 10.1080/14786446708639824 . ISSN   1941-5982 . Проверено 17 ноября 2019 г.
  9. ^ Кирхгоф, Густав Роберт (1876). Лекции по математической физике: механика . Том 1. Тойбнер.
  10. ^ Амбегаокар, Винай; Гальперин, Б.И.; Нельсон, Дэвид Р.; Сиггиа, Эрик Д. (1 марта 1980 г.). «Динамика сверхтекучих пленок» . Физический обзор B . 21 (5): 1806–1826. Бибкод : 1980PhRvB..21.1806A . дои : 10.1103/PhysRevB.21.1806 . Проверено 24 марта 2022 г.
  11. ^ Онсагер, Л. (1 марта 1949 г.). «Статистическая гидродинамика» . Иль Нуово Чименто . 6 (2): 279–287. Бибкод : 1949NCim....6S.279O . дои : 10.1007/BF02780991 . ISSN   1827-6121 . S2CID   186224016 . Проверено 17 ноября 2019 г.
  12. ^ Эйинк, Грегори Л.; Шринивасан, Катепалли Р. (17 января 2006 г.). «Онзагер и теория гидродинамической турбулентности» . Обзоры современной физики . 78 (1): 87–135. Бибкод : 2006РвМП...78...87Е . дои : 10.1103/RevModPhys.78.87 . Проверено 7 марта 2022 г.
  13. ^ Смит, Ральф А.; О'Нил, Томас М. (1 декабря 1990 г.). «Неосесимметричные тепловые равновесия цилиндрически ограниченной плазмы с ведущим центром или дискретной вихревой системы» . Физика жидкостей B: Физика плазмы . 2 (12): 2961–2975. Бибкод : 1990PhFlB...2.2961S . дои : 10.1063/1.859362 . ISSN   0899-8221 . Проверено 9 сентября 2020 г.
  14. ^ Симула, ТП; Дэвис, MJ; Хелмерсон, К. (2014). «Возникновение порядка из турбулентности в изолированной плоской сверхтекучей жидкости». Письма о физических отзывах . 113 (16): 165302. arXiv : 1405.3399 . Бибкод : 2014PhRvL.113p5302S . doi : 10.1103/PhysRevLett.113.165302 . ПМИД   25361262 . S2CID   18868201 .
  15. ^ Ю, Сяоцюань; Биллам, Томас П.; Нянь, Джун; Ривз, Мэтью Т.; Брэдли, Эштон С. (01 августа 2016 г.). «Теория вихрево-кластерного перехода в ограниченной двумерной квантовой жидкости» . Физический обзор А. 94 (2): 023602. arXiv : 1512.05517 . Бибкод : 2016PhRvA..94b3602Y . дои : 10.1103/PhysRevA.94.023602 . S2CID   119286552 . Проверено 28 октября 2021 г.
  16. ^ Фриш, Т.; Помо, Ю.; Рика, С. (14 сентября 1992 г.). «Переход к диссипации в модели сверхтечения» . Письма о физических отзывах . 69 (11): 1644–1647. Бибкод : 1992PhRvL..69.1644F . дои : 10.1103/PhysRevLett.69.1644 . ПМИД   10046277 . Проверено 27 июля 2021 г.
  17. ^ Нили, Т.В.; Самсон, ЕС; Брэдли, AS; Дэвис, MJ; Андерсон, БП (2010). «Наблюдение вихревых диполей в сплюснутом конденсате Бозе-Эйнштейна». Письма о физических отзывах . 104 (16): 160401. arXiv : 0912.3773 . Бибкод : 2010PhRvL.104p0401N . doi : 10.1103/PhysRevLett.104.160401 . ПМИД   20482029 . S2CID   10019882 .
  18. ^ Мэдисон, КВ; Чеви, Ф.; Воллебен, В.; Далибард, Дж. (31 января 2000 г.). «Вихреобразование в перемешиваемом конденсате Бозе-Эйнштейна» . Письма о физических отзывах . 84 (5): 806–809. arXiv : cond-mat/9912015 . Бибкод : 2000PhRvL..84..806M . doi : 10.1103/PhysRevLett.84.806 . ПМИД   11017378 . S2CID   9128694 . Проверено 20 октября 2021 г.
  19. ^ Паркер, штат Нью-Йорк; Адамс, CS (29 сентября 2005 г.). «Возникновение и затухание турбулентности в перемешиваемых атомных бозе-эйнштейновских конденсатах» . Письма о физических отзывах . 95 (14): 145301. arXiv : cond-mat/0505730 . Бибкод : 2005PhRvL..95n5301P . doi : 10.1103/PhysRevLett.95.145301 . ПМИД   16241664 . S2CID   9035349 . Проверено 7 декабря 2020 г.
  20. ^ Шерер, Дэвид; Вейлер, Чад; Нили, Тайлер; Андерсон, БП (2007). «Формирование вихря путем слияния нескольких захваченных бозе-эйнштейновских конденсатов». Письма о физических отзывах . 98 (11): 110402. arXiv : cond-mat/0610187 . Бибкод : 2007PhRvL..98k0402S . doi : 10.1103/PhysRevLett.98.110402 . ПМИД   17501028 . S2CID   27780713 .
  21. ^ Вейлер, Чад Н; Нили, Тайлер В.; Шерер, Дэвид Р.; Брэдли, AS; Дэвис, MJ; Андерсон, БП (2008). «Спонтанные вихри при образовании конденсатов Бозе – Эйнштейна». Природа . 455 (7215): 948–951. arXiv : 0807.3323 . Бибкод : 2008Natur.455..948W . дои : 10.1038/nature07334 . S2CID   459795 .
  22. ^ Сасаки, Казуки; Сузуки, Наоя; Сайто, Хироки (16 апреля 2010 г.). «Вихревая улица Бенара-фон Кармана в конденсате Бозе-Эйнштейна» . Письма о физических отзывах . 104 (15): 150404.arXiv : 1002.2058 . Бибкод : 2010PhRvL.104o0404S . doi : 10.1103/PhysRevLett.104.150404 . ПМИД   20481976 . S2CID   20206109 . Получено 1 сентября 2022 г.
  23. ^ Квон, У Джин; Ким, Джун Хён; Со, Сан Вон; Шин, Ю (2016). «Наблюдение вихревой улицы фон Кармана в атомном сверхтекучем газе». Письма о физических отзывах . 117 (24): 245301. arXiv : 1608.02762 . Бибкод : 2016PhRvL.117x5301K . doi : 10.1103/PhysRevLett.117.245301 . ПМИД   28009203 . S2CID   2946581 .
  24. ^ Нили, Т.В.; Брэдли, AS; Самсон, ЕС; Руни, С.Дж.; Райт, Э.М.; Закон, KJH; Карретеро-Гонсалес, Р; Кеврекидис, П.Г.; Дэвис, MJ; Андерсон, БП (2013). «Характеристики двумерной квантовой турбулентности в сжимаемой сверхтекучей жидкости». Письма о физических отзывах . 111 (23): 235301. arXiv : 1204.1102 . Бибкод : 2013PhRvL.111w5301N . doi : 10.1103/PhysRevLett.111.235301 . ПМИД   24476287 . S2CID   13296892 .
  25. ^ Сачков Евгений П.; Бейкер, Кристофер Г.; Харрис, Глен И.; Стокдейл, Оливер Р.; Форстнер, Стефан; Ривз, Мэтью Т.; Он, Синь; Макослан, Дэвид Л.; Брэдли, Эштон С.; Дэвис, Мэтью Дж.; Боуэн, Уорвик П. (2019). «Когерентная вихревая динамика в сильно взаимодействующей сверхтекучей жидкости на кремниевом чипе» . Наука . 366 (6472): 1480–1485. arXiv : 1902.04409 . Бибкод : 2019Sci...366.1480S . дои : 10.1126/science.aaw9229 . ISSN   0036-8075 . ПМИД   31857478 . S2CID   119330119 . Проверено 27 февраля 2020 г.
  26. ^ Карузотто, Якопо; Чути, Криштиану (2013). «Квантовые жидкости света». Обзоры современной физики . 85 (1): 299–366. arXiv : 1205.6500 . Бибкод : 2013РвМП...85..299С . дои : 10.1103/RevModPhys.85.299 . S2CID   9675458 .
  27. ^ Готье, Г.; Ривз, Монтана; Ю, Х.; Брэдли, AS; Бейкер, Массачусетс; Белл, штат Калифорния; Рубинштейн-Данлоп, Х.; Дэвис, MJ; Нили, ТВ (2019). «Гигантские вихревые кластеры в двумерной квантовой жидкости». Наука . 364 (6447): 1264–1267. arXiv : 1801.06951 . Бибкод : 2019Sci...364.1264G . дои : 10.1126/science.aat5718 . ISSN   0036-8075 . ПМИД   31249054 . S2CID   195750381 .
  28. ^ Джонстон, СП; Грошек, AJ; Старки, ПТ; Биллингтон, CJ; Симула, ТП; Хелмерсон, К. (2019). «Эволюция крупномасштабного течения из-за турбулентности в двумерной сверхтекучей жидкости». Наука . 364 (6447): 1267–1271. arXiv : 1801.06952 . Бибкод : 2019Sci...364.1267J . дои : 10.1126/science.aat5793 . ISSN   0036-8075 . ПМИД   31249055 . S2CID   4948239 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 4d6da987d4cbf38a262b3ae252cc5c30__1719248880
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/4d/30/4d6da987d4cbf38a262b3ae252cc5c30.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Two-dimensional quantum turbulence - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)