Peneliti Memvisualisasikan Variasi Gerakan dalam Turbulensi Superfluida Kuantum

Quantum Vortex Tubes Sebuah gambar yang ditampilkan melalui superdifusi titik putih yang mewakili partikel yang terperangkap yang dilacak peneliti untuk memvisualisasikan dan melacak gerakan tabung, dan garis merah mewakili pola acak yang dilalui partikel. Kredit: Atas kebaikan Way Gu Gunjans

Peraih Nobel Fisika Richard Feynman pernah menggambarkan gejolak sebagai “masalah paling penting yang belum terselesaikan dalam fisika klasik.”

Persepsi turbulensi dalam cairan klasik seperti air dan udara sebagian disebabkan oleh tantangan untuk mendeteksi pusaran yang bersirkulasi dalam cairan tersebut. Mengidentifikasi tabung pusaran dan melacak gerakannya dapat sangat menyederhanakan pemodelan turbulensi.

Tantangan ini sederhana dalam cairan kuantum, di mana mekanika kuantum pada suhu rendah – yang terkait dengan fisika atom atau partikel subotomik – mengelola perilakunya.

Dalam sebuah studi baru yang diterbitkan Kegiatan Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional, Universitas Negeri Florida Para peneliti dapat memvisualisasikan tabung yang diputar dalam fluida kuantum, hasil yang dapat membantu peneliti memahami eksitasi dalam fluida kuantum dan seterusnya.

“Studi kami penting karena tidak memperluas persepsi kami tentang gejolak secara umum, karena studi ini juga dapat bermanfaat bagi studi berbagai sistem fisik yang melibatkan tabung simpul, seperti superkonduktor dan bahkan bintang neutron,” kata Wei Guo, rekan FAMU. Profesor Fakultas Teknik Mesin di Fakultas Teknik dan Kepala Penyelidik Penelitian FSU.

Wei Guo dan Yuan Tang

Di sebelah kiri, Wei Guo, seorang profesor teknik mesin di FAMU-FSU College of Engineering, dan Yuan Tang, seorang peneliti postdoctoral di Departemen National High Magnetic Field Laboratory, di depan pengaturan eksperimental. Kredit: Atas kebaikan Way Gu Gunjans

Tim peneliti mempelajari helium-4 superfluida, cairan kuantum yang ada pada suhu yang sangat rendah dan dapat mengalir selamanya di ruang sempit tanpa gesekan yang nyata.

Tim Guy memeriksa partikel pelacak yang terperangkap di pusaran dan mengamati untuk pertama kalinya bahwa dengan adanya tabung pusaran, mereka bergerak dalam pola acak dan rata-rata menjauh dari titik awal. Perpindahan pelacak yang terperangkap ini telah meningkat lebih cepat dari waktu ke waktu daripada ekspansi molekul biasa – sebuah proses yang dikenal sebagai superdifusi.

Menganalisis apa yang terjadi, bagaimana mereka mengubah kecepatan rotasi dari waktu ke waktu, adalah data penting untuk pemodelan statistik turbulensi kuantum-cair.

“Superdfusion telah diamati di banyak sistem, seperti transportasi seluler dalam sistem biologis dan pola pencarian predator manusia,” kata Guo.

Namun, setelah menganalisis datanya, tim Guy menyimpulkan bahwa superdifusi pelacak dalam eksperimen mereka sebenarnya bukan karena penerbangan retribusi. Sesuatu sedang terjadi.

“Kami akhirnya menyadari bahwa superdifusi yang kami perhatikan disebabkan oleh hubungan antara kecepatan rotasi pada waktu yang berbeda,” kata Yuan Tang, seorang peneliti postdoctoral di National High Magnetic Field Laboratory dan penulis makalah. “Kecepatan setiap segmen pusaran pada awalnya tampak acak, tetapi kenyataannya, kecepatan pembagian satu waktu secara positif terkait dengan kecepatannya di lain waktu, misalnya. Pengamatan ini telah memungkinkan kami untuk mengungkap beberapa fitur statistik umum rahasia dari siklon acak yang kacau, yang dapat efektif dalam berbagai cabang fisika. “

Berbeda dengan cairan klasik, tabung pusaran di superfluida helium-4 adalah objek yang stabil dan terdefinisi dengan baik.

“Ini pada dasarnya adalah tornado kecil yang berputar-putar dalam badai tetapi dengan inti berlubang yang sangat tipis,” kata Tang. “Anda tidak dapat melihatnya dengan mata telanjang, bahkan dengan mikroskop yang kuat.”

“Untuk mengatasi ini, kami melakukan eksperimen kami di Cryogenics Lab, di mana kami menambahkan partikel pelacak ke helium untuk memvisualisasikannya,” tambah Shiran Bao, peneliti postdoctoral di National High Magnetic Field Laboratory dan penulis makalah.

Para peneliti menyuntikkan campuran gas deuterium dan gas helium ke dalam helium berlebih yang dingin. Setelah injeksi, gas deuterium mengeras dan membentuk partikel es kecil, yang digunakan para peneliti sebagai pelacak dalam cairan.

“Seperti tornado di udara yang menghisap daun di dekatnya, begitu juga pelacak kita bisa tersangkut di tabung pusaran helium jika berada di dekat tabung,” kata Guo.

Teknik visualisasi ini bukanlah hal baru dan telah digunakan oleh para ilmuwan di laboratorium penelitian di seluruh dunia, tetapi kemajuan yang dibuat oleh para peneliti ini adalah pengembangan algoritma baru yang memungkinkan mereka untuk membedakan pelacak yang terjebak di Vertis dari yang sebelumnya.

Referensi: Yuan Tang, Shiran Bao, dan Wei Guo, “Februari 2021,” Superdiffusi Variasi Kuantitatif Mengungkap Hukum Penskalaan dalam Turbulensi Kuantum ” Kegiatan Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073 / pnas.2021957118

Penelitian mereka didukung oleh National Science Foundation dan Departemen Energi AS. Percobaan dilakukan di National High Magnetic Field Laboratory di Florida State University.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Alat-alat baru dibutuhkan untuk mencegah pandemi penyakit tanaman

Mengamati penyakit tanaman dapat mengungkapkan keamanan pangan. Penyakit tanaman tidak berhenti di perbatasan negara, dan kilometer lautan juga tidak mencegah penyebarannya. Itulah mengapa pengawasan...

Ilmuwan Menjelajahi Tesla Roads Jangan Ambil – Dan Temukan Kekuatan Baru Berguna dalam Penemuan Centennial

Foto eksposur ganda Nikola Tesla pada bulan Desember 1899 duduk di laboratoriumnya di Colorado Springs di sebelah kaca pembesar generator tegangan tinggi sementara mesin...

Untuk Mempercepat Akses, Mikroskopi yang Sangat Dapat Diputar Meninggalkan “Di Bawah Kisi”

Contoh desain ubin yang digunakan pada ulat percobaan C. elegans. Mesin non-grid memberi model fleksibilitas sementara untuk dengan cepat memasuki lingkungan yang menyenangkan....

Lingkar Kuno Munculnya Tektonik Lempeng Data 3,6 Miliar Tahun Lalu – Peristiwa Penting untuk Memperkaya Kehidupan Bumi

Zirkonia yang dipelajari oleh tim peneliti, difoto menggunakan katodoluminesensi, memungkinkan tim untuk melihat bagian dalam kristal menggunakan mikroskop elektron khusus. Lingkar zirkon adalah...

Bisakah kita mengurangi kecanduan opioid? [Video]

Pada 2017, jutaan orang di seluruh dunia kecanduan opioid dan 115.000 meninggal karena overdosis. Opioid adalah obat penghilang rasa sakit paling manjur yang kita miliki,...

Newsletter

Subscribe to stay updated.