Ett internationellt forskningssamarbete mellan forskare från FAMU-FSU College of Engineering och National High Magnetic Field Laboratory har upptäckt en grundläggande universell princip som styr hur mikroskopiska virvlar interagerar, kolliderar och omvandlas i kvantvätskor, vilket också har betydelse för förståelsen av vätskor som beter sig enligt klassisk fysik.
Studien, som publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences, avslöjade nya insikter om virveldynamiken i superfluid helium, en anmärkningsvärd vätska som uppvisar nollmotstånd vid temperaturer nära absolut noll. Forskningen visar att när dessa kvantvirvlar korsar varandra och återförenas, separerar de snabbare än deras initiala närmningshastighet, vilket skapar energipulser som kännetecknar turbulens i både kvant- och klassiska vätskor.
”Superfluider erbjuder en unik och tydlig perspektiv på turbulens”, säger Wei Guo, professor vid FAMU-FSU College of Engineering och medförfattare till studien. ”Vi börjar förstå den universella fysik som förbinder kvantvärlden och den klassiska världen, och det är en spännande gräns för både vetenskap och teknik.”
Mikroskopiska kvanttornador
Superfluid helium är ett av naturens mest extraordinära tillstånd. När det kyls till nära absolut nollpunkt överskrider denna unika substans konventionellt fluidbeteende, flyter utan friktion, trotsar tyngdkraften genom att klättra uppför behållarväggar och tränger lätt igenom mikroskopiska barriärer. Till skillnad från vanliga vätskor som kan virvla fritt, begränsar superfluid helium all rotationsrörelse till kvantiserade virvlar, som är ultratunna, ihåliga rör som upprätthåller exakt fastställda cirkulationsmängder som dikteras av kvantmekaniska principer.
”Dessa virvlar är som mikroskopiska tornador”, säger Guo. ”Var och en har en exakt cirkulationsmängd som styrs av kvantmekaniken. De är topologiskt skyddade, vilket innebär att de är anmärkningsvärt stabila och mycket lättare att spåra än virvlar i vanliga vätskor.”
Denna exceptionella stabilitet förvandlar dessa kvantstrukturer till kraftfulla undersökningsverktyg för att utforska turbulens, ett av de mest komplexa och kaotiska fenomenen inom fysiken, som påverkar allt från flygplans aerodynamik till havsströmmar.
Genombrott i virveldynamiken
Guos team, tillsammans med samarbetspartners i Storbritannien och Frankrike, tog högupplösta bilder och genomförde datorsimuleringar som avslöjade de grundläggande beteendemönstren hos kolliderande kvantvirvlar. Deras fynd fastställer en universell fysikalisk lag som styr virvelinteraktioner mellan flera olika typer av vätskor och temperaturintervall.
Forskarna injicerade små frysta partiklar av deuterium, en isotop av väte, i superfluid helium för att göra osynliga kvantvirvlar synliga. De använde sedan en laserskiva och en höghastighetskamera för att fånga hur dessa virvlar rörde sig och återförenades.
”Vi upptäckte att efter återföreningen rör sig virvlarna alltid snabbare isär än de kom ihop”, säger Guo. ”Denna tidsasymmetri, eller irreversibilitet, visar sig vara en grundläggande egenskap hos hur energi rör sig i vätskor, oavsett om de är kvantmekaniska eller klassiska.”
Varje återanslutning genererade plötsliga energivågor som spred sig genom det omgivande fluidmediet och skapade ringformiga effekter som kan jämföras med hjärtrytmer som sänder vågor genom vatten. När flera återanslutningar sker samtidigt inom komplexa virvelnätverk kan dessa koordinerade energifrigöranden utlösa distinkta former av kvantturbulens med unika egenskaper som inte observerats i klassiska fluider.
Implikationer för teknik och teknologi
Även om kvantvirvlar endast förekommer i exotiska material som superfluid helium, speglar deras beteendemönster de grundläggande principer som styr virvlar i vardagliga vätskor, inklusive luft och vatten. Denna likhet gör att kvantforskning om superfluida vätskor kan ge insikter om klassiska mekanismer.
”Genom att studera dessa välbeteende och lätt observerbara kvantvirvlar får vi värdefull insikt i turbulensens grundläggande natur”, förklarar Yiming Xing, postdoktor i Guos grupp. ”Denna förståelse kan en dag hjälpa oss att konstruera effektivare motorer, optimera energiöverföringen i kvantsystem eller till och med förbättra väderprognosmodeller.”
Denna banbrytande forskning är ett exempel på kraften i internationellt vetenskapligt samarbete, som sammanför institutioner som Newcastle University och Lancaster University i Storbritannien, Côte d’Azur University i Frankrike och Mauro Picone Institute for Computing Applications—National Research Council i Italien, tillsammans med forskarteamen vid FAMU-FSU.
Mer information: Piotr Z. Stasiak et al, Experimental and theoretical evidence of universality in superfluid vortex reconnections, Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.
