Международная группа ученых, включая исследователей из FAMU-FSU College of Engineering и Национальной лаборатории сильных магнитных полей, обнаружила универсальный закон, управляющий поведением микроскопических вихрей в квантовых жидкостях.

Этот принцип работает и в классической физике, что помогает лучше понять турбулентность в обычных жидкостях — от воды в океане до воздуха вокруг самолета.

Результаты исследования, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, раскрыли новые детали о движении вихрей в сверхтекучем гелии — необычной жидкости, которая при температурах, близких к абсолютному нулю, течет без трения.

Оказалось, когда квантовые вихри сталкиваются и пересоединяются, они разлетаются быстрее, чем сближались.

Этот взрывной эффект порождает турбулентность, похожую на ту, что возникает в привычных нам жидкостях.

Сверхтекучие жидкости — идеальная модель для изучения турбулентности, — говорит профессор Вэй Го, соавтор исследования. — Мы находим общие законы, связывающие квантовый и классический миры, и это открывает новые горизонты для науки и технологий.

Микроскопические квантовые смерчи

Сверхтекучий гелий — одно из самых странных состояний материи. Охлажденный почти до абсолютного нуля, он течет без сопротивления, поднимается по стенкам сосудов и просачивается через мельчайшие щели.

В отличие от обычных жидкостей, его вращение возможно только в виде тончайших вихревых нитей, каждая из которых обладает строго определенной скоростью циркуляции — это диктует квантовая механика.

Эти вихри похожи на миниатюрные торнадо, — объясняет Го. — Каждый несет четко заданный «заряд» вращения. Они стабильны, их легко отслеживать, и это делает их отличным инструментом для изучения турбулентности.

Как вихри взрываются и разлетаются

Ученые использовали замороженные частицы дейтерия, чтобы сделать невидимые вихри видимыми.

Лазер и высокоскоростная камера зафиксировали их движение.

Оказалось, что после столкновения вихри разлетаются быстрее, чем сближались.

Эта асимметрия — ключевой механизм передачи энергии в жидкостях, будь то квантовый гелий или обычная вода.

Каждое пересоединение вихрей создает энергетический всплеск, похожий на удар сердца, посылающий волны через жидкость.

Когда таких событий много, они порождают турбулентность с уникальными свойствами, которых нет в классических жидкостях.

Почему это важно для технологий

Хотя квантовые вихри существуют только в экзотических условиях, их поведение отражает фундаментальные законы, работающие и в привычных нам средах.

Изучая эти четкие и предсказуемые вихри, мы лучше понимаем саму природу турбулентности, — говорит Имин Син, постдок из группы Го. — Это может помочь в проектировании более эффективных двигателей, улучшении квантовых систем или даже в прогнозировании погоды.

Это исследование обеспечивает:

• Глубокое понимание турбулентности — явления, которое до сих пор не описано полностью даже для обычных жидкостей.
• Мосты между квантовой и классической физикой — редкий случай, когда эксперименты в экстремальных условиях объясняют повседневные процессы.
• Практические приложения — от аэродинамики (например, снижение сопротивления у самолетов) до квантовых вычислений (управление сверхтекучими средами в кубитах).

Остается понять, насколько точно квантовые вихри моделируют классическую турбулентность. В реальных условиях (например, в океане или атмосфере) действуют десятки дополнительных факторов — вязкость, температура, гравитация. Упрощенная модель сверхтекучего гелия может не учесть эту сложность.

Ранее ученые уже совершили прорыв в понимании квантовой турбулентности.