FAMU-FSU 工程學院和國家高磁場實驗室的研究人員對一種量子流體中渦旋的形成有了新的認識，這項工作可以幫助我們理解渦旋簇如何形成的物理奧秘，并提供有價值的理解進入地球和木星等行星上的大氣漩渦運動。
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摩擦流動的量子流體。他們的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《物理評論快報》上。
“這一發(fā)現(xiàn)為我們對這些渦旋可能如何形成提供了新的解釋，是繼續(xù)提高我們對量子物理學理解的重要一步，”機械工程副教授兼該研究的首席研究員郭偉說。
1949 年，諾貝爾獎獲得者拉爾斯·昂薩格 (Lars Onsager) 提出了一個簡單的理論，該理論與我們對二維湍流流體中渦旋運動的理解有關(guān)，湍流是限制在二維空間中運動的流體。
Onsager 的理論說，當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，當能量足夠高時，這些向同一方向旋轉(zhuǎn)的漩渦會聚集形成大規(guī)模的持續(xù)漩渦。這些星團或大規(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。“然而，最近的出版物表明，在二維玻色-愛因斯坦凝聚體 (BEC) 中，昂薩格渦旋可以在沒有能量輸入的情況下自發(fā)出現(xiàn)。我們著手對這些令人驚訝的結(jié)果進行更多調(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零。處于 BEC 狀態(tài)的粒子占據(jù)相同的量子力學能級，可以表現(xiàn)出超流體行為，例如在沒有明顯動能損失的情況下流動和圍繞稱為渦流管的微小空心管旋轉(zhuǎn)。通過適當?shù)南葳澹珺EC 可以被限制為具有準二維圓盤形狀，即厚度小但半徑大的形狀。二維 BEC 中的渦流管看起來像微小的點漩渦，可以作為 Onsager 理論的理想測試平臺。
“對二維圓盤 BEC 中 Onsager 渦旋自發(fā)出現(xiàn)的一個公認的解釋是蒸發(fā)加熱機制，”郭說。“這種機制指的是物理學家所說的渦旋湮滅，即一對旋轉(zhuǎn)相反的渦旋合并消失，就像正電荷與負電荷中和一樣。”
“隨著渦流湮滅，每個渦流的能量增加，從而導致昂薩格渦流的形成，”在國家強磁場實驗室與郭一起工作的研究生 Toshiaki Kanai 說。
然而，在 Kanai 和 Guo 在研究二維湍流渦旋運動時進行的數(shù)值模擬中，BEC 被限制在球體表面，他們發(fā)現(xiàn)盡管渦旋對消失了，但 Onsager 渦旋從未形成。研究人員隨后對圓盤 BEC 和球殼 BEC 中的渦流動力學進行了比較研究。
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