对量子湍流理解的突破

研究人员展示了能量如何在量子湍流中消失，为更好地理解从微观到行星尺度的湍流铺平了道路。

兰开斯特大学的 Samuli Autti 博士与阿尔托大学的研究人员一起，是一项关于量子波湍流的新研究的作者之一。

该团队的发现 发表在《自然物理学》上，展示了对波状运动如何将能量从宏观长度尺度转移到微观长度尺度的新理解，他们的结果证实了关于能量如何在小尺度上耗散的理论预测。

Autti 博士说：“这一发现将成为大型量子系统物理学的基石。”

大规模的量子湍流——例如围绕移动的飞机或轮船的湍流——很难模拟。在小尺度上，量子湍流与经典湍流不同，因为量子流体的湍流被限制在称为涡流的线状流动中心周围，并且只能取某些量化的值。

这种粒度使得量子湍流在理论中更容易捕捉，而且人们普遍认为，掌握量子湍流也将有助于物理学家理解经典湍流。

未来，从量子层面开始更好地理解湍流可以改进工程领域的工程，在这些领域中，水和空气等流体和气体的流动和行为是一个关键问题。

阿尔托大学的主要作者 Jere Mäkinen 博士说：“我们对湍流基本组成部分的研究可能有助于指明方向，以更好地理解湍流中不同长度尺度之间的相互作用。

“了解经典流体将帮助我们做一些事情，比如改善车辆的空气动力学，更准确地预测天气，或控制管道中的水流。理解宏观湍流在现实世界中有大量潜在用途。”

Autti 博士说，量子湍流对科学家来说是一个具有挑战性的问题。

“在实验中，围绕单个涡旋形成的量子湍流几十年来一直难以捉摸，尽管整个领域的物理学家都在研究量子湍流，试图找到它。这包括研究超流体和量子气体的人员，例如原子玻色-爱因斯坦凝聚 (BEC)。这一过程背后的理论机制被称为开尔文波级联。

“在目前的手稿中，我们证明了这种机制的存在并按照理论上的预期发挥作用。这一发现将成为物理学或大型量子系统的基石。”

由高级科学家 Vladimir Eltsov 领导的研究小组在阿尔托低温实验室的独特旋转超低温冰箱中研究了 Helium-3 同位素中的湍流。他们发现，在微观尺度上，所谓的开尔文波通过不断将能量推向越来越小的尺度来作用于单个涡流——最终导致能量耗散发生的尺度。

阿尔托大学的 Jere Mäkinen 博士说：“能量如何在超低温下从量子化涡流中消失的问题在量子湍流的研究中至关重要。我们的实验装置首次在现实世界中展示了开尔文波将能量转移到耗散长度尺度的理论模型。”

该团队的下一个挑战是使用浸没在超流体中的纳米级设备来操纵单个量化涡流。