Araştırmacılar, çalışmalarında benzersiz bir döner kriyostat kullandılar. Kredi: Mikko Raskinen/Aalto Üniversitesi
Bir grup araştırmacı, kuantum türbülansında enerji dağılımını göstererek mikroskobikten gezegene kadar çeşitli ölçeklerde türbülansa ilişkin içgörüler sağladı.
Lancaster Üniversitesi’nden Dr. Samuli Autti, Aalto Üniversitesi araştırmacıları ile kuantum dalga türbülansını araştıran yakın tarihli bir çalışmada iş birliği yaptı.
Ekibin Nature Physics’te yayınlanan bulguları, dalga benzeri hareketin enerjiyi makroskopikten makroskobik düzeye nasıl aktardığına dair yeni bir anlayış ortaya koyuyor. mikroskobik uzunluk ölçekleri ve bunların sonuçları, enerjinin küçük ölçeklerde nasıl dağıldığına dair teorik bir tahmini doğrular.
Dr. Autti şöyle dedi: “Bu keşif, büyük kuantum sistemleri fiziğinin mihenk taşı olacak.”
Hareketli uçakların veya gemilerin etrafındaki türbülans gibi büyük ölçeklerde kuantum türbülansının simülasyonunu yapmak zordur. Küçük ölçeklerde, kuantum türbülansı klasik türbülanstan farklıdır çünkü kuantum sıvısının türbülanslı akışı, girdap adı verilen çizgi benzeri akış merkezleri etrafında sınırlıdır ve yalnızca belirli, nicelenmiş değerleri alabilir.
Bu ayrıntı düzeyi, kuantum türbülansını önemli ölçüde oluşturur. bir teoride yakalanması daha kolaydır ve genel olarak kuantum türbülansında uzmanlaşmanın fizikçilerin klasik türbülansı anlamalarına da yardımcı olacağına inanılır.
Gelecekte, kuantum düzeyinden başlayarak türbülansın daha iyi anlaşılması, daha iyi mühendislik yapılmasına olanak sağlayabilir. su ve hava gibi sıvıların ve gazların akışının ve davranışının önemli bir soru olduğu alanlar.
Aalto Üniversitesi’nden baş yazar Dr. Jere Mäkinen şunları söyledi: “Türbülansın temel yapı taşlarıyla ilgili araştırmamız, türbülansta farklı uzunluk ölçekleri arasındaki etkileşimleri daha iyi anlamanın bir yolu.
“Bunu klasik sıvılarda anlamak, aerodinamiği iyileştirmek gibi şeyler yapmamıza yardımcı olacaktır. hava durumunu daha doğru bir şekilde tahmin edin veya borulardaki su akışını kontrol edin. Makroskopik türbülansı anlamak için çok sayıda potansiyel gerçek dünya kullanımı var.”
Dr. Autti, kuantum türbülansının bilim adamları için zorlayıcı bir sorun olduğunu söyledi.
“Deneylerde, tek bir girdap etrafında kuantum türbülansının oluşumu, kuantum türbülansı üzerinde çalışan tüm fizikçilerin onu bulmaya çalışmasına rağmen onlarca yıldır anlaşılmaz kaldı. Buna süperakışkanlar ve atomik Bose-Einstein Yoğuşmaları (BEC) gibi kuantum gazları üzerinde çalışan kişiler dahildir. Bu sürecin arkasındaki teorize edilmiş mekanizma, Kelvin dalgası kademesi olarak bilinir.
“Mevcut el yazmasında, bu mekanizmanın var olduğunu ve teorik olarak tahmin edildiği gibi çalıştığını gösteriyoruz. Bu keşif, fiziğin veya büyük kuantum sistemlerinin mihenk taşı olacak.”
Kıdemli Bilim Adamı Vladimir Eltsov liderliğindeki araştırma ekibi, benzersiz, dönen ultra düşük sıcaklıkta Helyum-3 izotopundaki türbülansı inceledi. Aalto’daki Düşük Sıcaklık Laboratuvarı’ndaki buzdolabı. Kelvin dalgalarının mikroskobik ölçeklerde, enerjiyi sürekli olarak daha küçük ölçeklere iterek bireysel girdaplar üzerinde hareket ettiğini ve sonuçta enerji dağılımının gerçekleştiği ölçeğe yol açtığını buldular.
Dr. Aalto Üniversitesi’nden Jere Mäkinen şunları söyledi: “Enerjinin ultra düşük sıcaklıklarda nicelenmiş girdaplardan nasıl kaybolduğu sorusu, kuantum türbülansı çalışmasında çok önemli olmuştur. Deneysel kurulumumuz, enerjiyi tüketen uzunluk ölçeklerine aktaran Kelvin dalgalarının teorik modelinin gerçek dünyada ilk kez gösterilmesidir.”
Ekibin bir sonraki görevi, kullanarak tek bir nicelleştirilmiş girdabı manipüle etmektir. süperakışkanlara daldırılmış nano ölçekli cihazlar.
Referans: “Dönen kuantum dalgası türbülansı”, J. T. Mäkinen, S. Autti, P. J. Heikkinen, J. J. Hosio, R. Hänninen, V. S. L’vov, P. M. Walmsley, V. V. Zavjalov ve V. B. Eltsov, 2 Mart 2023, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-023-01966-z