Figura 1. Espansione all'interno di un fluido vortice. Un fluido vorticoso non uniforme si espande per formare un vortice Rankine. (I colori più scuri rappresentano l'alta densità). Credito:FLEET
, Uno studio condotto dall'Australia ha fornito nuove informazioni sul comportamento dei superfluidi rotanti.
Una caratteristica distintiva dei superfluidi è che mostrano vortici quantizzati:possono ruotare solo con uno, o due, o un altro numero intero di rotazione.
Nonostante questa differenza fondamentale dai fluidi classici, dove i vortici possono girare con qualsiasi forza, molte caratteristiche della dinamica collettiva dei vortici sia nei fluidi classici che in quelli quantistici sono simili.
Però, in questo studio il team FLEET dell'Università del Queensland ha dimostrato una netta differenza nel comportamento tra fluidi classici e quantistici. Gli autori considerano l'espansione dei cluster di vortici per mostrare che per qualsiasi disposizione iniziale di vortici quantizzati, si formerà un super-vortice "Rankine".
"Il comportamento di molti vortici in un superfluido è spesso caotico e difficile da descrivere teoricamente, " spiega l'autore principale Oliver Stockdale. "Il nostro studio supera questa sfida fornendo una soluzione esatta alla dinamica del vortice".
La soluzione mostra che un cluster di vortici chirali (vortici che ruotano tutti nella stessa direzione) si espande per formare una distribuzione di densità costante che ha una forma simile a un cappello a cilindro. Una tale distribuzione di vortici, noto come vortice Rankine, è vietato nei fluidi classici a causa della loro viscosità.
Figura 2. Una distribuzione di vortice iniziale gaussiana si espande per formare un vortice Rankine. (Simulazione numerica.). Credito:FLEET
Perché alla fine tutti i superfluidi diventano distribuzioni Rankine
"I superfluidi hanno viscosità zero e possono supportare un vortice Rankine, " spiega Oliver. "Il risultato sorprendente di questa scoperta è che tutte le distribuzioni iniziali dei vortici, indipendentemente da come sono disposti, si espande per formare un vortice Rankine. Questo comportamento equivalente a lungo termine è noto come dinamica universale e dimostra il meccanismo con cui un superfluido dissipa la sua energia tramite vortici quantizzati".
Gli autori utilizzano una teoria recentemente sviluppata che descrive i vortici stessi come un fluido.
"Proprio come l'idrodinamica descrive il comportamento di molte particelle fluide, può essere usato per descrivere il moto di molti vortici, che formano un 'fluido vortice' all'interno del fluido ordinario, ", afferma il coautore Matt Reeves.
"Però, il fluido del vortice mostra ulteriori sollecitazioni "anomale"; queste forze extra derivano dalla natura dei vortici che ne limitano la rotazione da quantificare. I termini anomali danno comportamenti fluidi insoliti, compresa una viscosità negativa. Essenzialmente, la viscosità negativa provoca il comportamento esattamente opposto a quello normale, fluido classico:aumenta i gradienti di densità del vortice, fino a quando la distribuzione diventa un vortice Rankine." Un esempio di espansione all'interno della teoria del fluido vorticoso può essere visto in Fig. 1, dove un fluido vorticoso inizialmente non uniforme si espande per formare un vortice Rankine.
Figura 3. Il vortice Rankine emerge dopo che il cluster si è espanso nei vortici sperimentali (evidenziati dai cerchi bianchi a destra). Credito:FLEET
Per supportare le loro scoperte teoriche, gli autori simulano computazionalmente la dinamica di migliaia di vortici. Invece di descrivere i vortici come un fluido, queste simulazioni considerano ogni vortice come un'entità individuale. Come con la teoria del fluido vorticoso, gli autori scoprono che qualsiasi distribuzione iniziale di vortice si espande per formare un vortice Rankine. Un esempio del risultato numerico può essere visto in Fig. 2, dove una distribuzione iniziale gaussiana si espande per formare un vortice Rankine.
Finalmente, gli autori hanno analizzato i dati di un esperimento che ha osservato l'espansione di un ammasso di vortici in un vero superfluido, che è stato creato utilizzando atomi di rubidio ultrafreddi.
"Mentre la teoria del fluido vorticoso presuppone che siano presenti molti vortici, l'esperimento poteva creare solo circa undici vortici. Nonostante il basso numero di vortici, c'erano prove che il vortice Rankine fosse emerso dopo l'espansione dell'ammasso, " spiega il capo del progetto, il prof. Matthew Davis. I vortici sperimentali possono essere visti in Fig. 3, come evidenziato dai cerchi bianchi.
Questo studio non solo ha dimostrato la prima soluzione alla complicata teoria del fluido a vortice, ha fornito il primo test sperimentale della teoria. L'esperimento ha previsto quantitativamente le caratteristiche chiave della teoria e ha dimostrato una piattaforma per testare ulteriormente le proprietà del vortice Rankine, come le previsioni che supporta un effetto Hall quantistico di frazione analogica.
I vortici sono un fenomeno onnipresente nei sistemi superfluidi. Per raggiungere l'obiettivo di FLEET di produrre un transistor superfluido ultra efficiente, è necessaria una comprensione più completa di come si comportano i vortici nei superfluidi che scorrono. Questo studio del team FLEET è un passo avanti verso un tale transistor.
La carta, "Dinamica universale nell'espansione di cluster di vortici in un superfluido bidimensionale dissipativo, " è stato pubblicato in Ricerca sulla revisione fisica nel luglio 2020.
