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Des chercheurs en ingénierie ont développé une nouvelle explication de la formation de tourbillons dans un superfluide bidimensionnel

Les illustrations montrent l’apparition spontanée de tourbillons d’Onsager à grande échelle dans un disque de condensat de Bose-Einstein 2D (zones ombrées) contrairement à l’absence de tourbillons d’Onsager dans un disque de condensat de Bose-Einstein 2D. Crédit : Wei Guo

Des chercheurs de la FAMU-FSU School of Engineering et du National High Magnetic Field Laboratory ont un nouvel aperçu de la formation de tourbillons dans un type de fluide quantique, des travaux qui pourraient nous aider à comprendre le puzzle physique de la formation des amas de tourbillons et fournir une compréhension précieuse. du mouvement de rotation atmosphérique sur des planètes telles que la Terre et Jupiter.


Les chercheurs ont découvert une explication alternative à la formation de tourbillons dits d’Onsager dans un superfluide bidimensionnel, un type de fluide quantique qui peut s’écouler sans friction. Leurs conclusions ont été publiées dans messages d’examen physique.

“Ce résultat nous donne une nouvelle explication sur la formation de ces tourbillons et constitue une étape importante pour continuer à améliorer notre compréhension de la physique quantique”, a déclaré Wei Gu, professeur agrégé de génie mécanique et chercheur principal de l’étude.

En 1949, Lars Onsager, lauréat du prix Nobel, a proposé une théorie simple relative à notre compréhension du mouvement des vortex dans les fluides turbulents bidimensionnels, qui sont des fluides contraints par le mouvement dans l’espace bidimensionnel.

La théorie d’Onsager dit que lorsque de l’énergie est continuellement ajoutée à un fluide bidimensionnel turbulent avec de petits vortex chaotiques (anciennement appelés vortex), ces vortex tournant dans la même direction fusionneront pour former des vortex surdimensionnés lorsque l’énergie est suffisamment élevée. Ces assemblages ou tourbillons à grande échelle sont connus sous le nom de tourbillons Onsager. La grande tache rouge de Jupiter en est un bon exemple.

“La théorie d’Onsager exige que de l’énergie soit ajoutée au fluide bidimensionnel”, a déclaré Guo. “Cependant, des publications récentes ont révélé que dans les condensats de Bose-Einstein (BEC) 2D, les vortex d’Onsager peuvent apparaître spontanément sans apport d’énergie. Nous avons entrepris d’approfondir ces résultats surprenants.”

BEC est un état de la matière dans lequel des atomes ou des molécules identiques sont piégés par un laser ou un piège magnétique et refroidis à près du zéro absolu. Les particules à l’état BEC occupent le même niveau d’énergie mécanique quantique et peuvent présenter des comportements superfluides, comme s’écouler sans perte apparente d’énergie cinétique et tourner autour de petits tubes creux appelés tubes vortex. Avec le piège approprié, le BEC peut être confiné à une forme de disque quasi bidimensionnelle, c’est-à-dire une forme de faible épaisseur mais de grand rayon. Les tubes vortex en 2D BEC ressemblent à de minuscules vortex ponctuels, qui peuvent servir de test parfait de la théorie d’Onsager.

Vidéo de simulation montrant les vortex d’Onsager se formant comme un disque bidimensionnel d’un Bose-Einstein condensé. Crédit : Wei Guo/FAMU-FSU College of Engineering

“L’explication bien acceptée de l’émergence spontanée des vortex d’Onsager dans les BEC à disque 2D est le mécanisme du chauffage par évaporation”, a déclaré Guo. “Ce mécanisme fait référence à ce que les physiciens appellent l’annihilation des vortex, qui se produit lorsqu’une paire de vortex de rotation opposée fusionnent et disparaissent, tout comme une charge positive se neutralise avec une charge négative.”

“Comme les tourbillons périssent, énergie Le vortex augmente, entraînant la formation de vortex Onsager », a déclaré Toshiaki Kanai, un étudiant diplômé travaillant avec Guo au National High Magnetic Field Laboratory.

Cependant, dans une simulation numérique menée par Kanai et Guo tout en étudiant le mouvement de vortex turbulent en 2D, avec des BEC confinés à la surface d’une sphère, ils ont découvert que les vortex d’Onsager ne se sont jamais formés malgré l’annihilation de paires de vortex. Les chercheurs ont ensuite mené une étude comparative de la dynamique des vortex à la fois dans les BEC à disque et dans les BEC à coque sphérique.

“Nous avons finalement découvert que la formation automatique de tourbillons Onsager n’est pas due au mécanisme de chauffage par évaporation bien accepté”, a déclaré Guo. “Le véritable mécanisme est de sortir des vortex de la limite du BEC 2D.”

Le disque BEC a une circonférence à partir de laquelle les tourbillons peuvent sortir, tandis que la coque sphérique BEC n’a pas de frontières. Par conséquent, les vortex d’Onsager ne sont observés que dans les BEC discaux mais pas dans les coquilles BEC sphériques, selon les chercheurs.

“Déterminer le véritable mécanisme de la formation spontanée de vortex d’Onsager dans les BEC 2D représente une avancée majeure dans notre compréhension de la turbulence superfluide 2D”, a déclaré Guo. “Nos découvertes sur les tourbillons ponctuels sur une sphère peuvent représenter un modèle conceptuellement intéressant d’une atmosphère planétaire, et ces découvertes peuvent être testées expérimentalement au laboratoire spatial de la NASA.”

La NASA a récemment installé un Cold Atoms Laboratory sur la Station spatiale internationale, ce qui a permis de produire des BEC en ingénierie sphérique. De futures études expérimentales en apesanteur pourraient aider à faire avancer la science dans ce domaine.


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Plus d’information:
Toshiaki Kanai et al, Le vrai mécanisme d’ordre spontané à partir de la turbulence dans les variétés superfluides à deux dimensions, messages d’examen physique (2021). DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.095301

la citation: Des chercheurs en ingénierie ont développé une nouvelle explication de la formation de tourbillons dans un superfluide 2D (2021, 21 septembre) Récupéré le 21 septembre 2021 sur https://phys.org/news/2021-09-explanation-formation-vortices- 2d-superfluide.html

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