Un team internazionale di scienziati composto da ricercatori della Florida State University ha sviluppato un modello che prevede la diffusione dei vortici nei cosiddetti superfluidi, un lavoro che fornisce nuove informazioni sulla fisica che governa la turbolenza nei sistemi di fluidi quantistici come le stelle di neutroni superfluidi.

In un articolo pubblicato in Lettere di revisione fisica , i ricercatori hanno creato un modello che descrive la diffusione e la velocità dei tubi a vortice simili a tornado nei superfluidi. I tubi a vortice sono un ingrediente chiave della turbolenza, ampiamente studiata nella fisica classica. Il movimento dei tubi a vortice è rilevante in un'ampia gamma di scenari, come la formazione di uragani, la trasmissione di virus nell'aria e la miscelazione chimica nella formazione stellare. Ma è poco compreso nei fluidi quantistici.

Questo lavoro si espande su uno studio precedente che riportava risultati sperimentali ottenuti nell'elio-4 superfluido all'interno di un intervallo di temperatura ristretto. I superfluidi sono liquidi che possono fluire senza resistenza, e quindi senza perdita di energia cinetica. Quando vengono mescolati, formano vortici che ruotano indefinitamente.

"Convalidando questo modello e dimostrando che descrive il movimento dei vortici a un'ampia gamma di temperature, confermiamo una regola universale per questo fenomeno", ha affermato Wei Guo, professore associato di ingegneria meccanica presso il FAMU-FSU College of Engineering . "Questa scoperta potrebbe aiutare lo sviluppo di modelli teorici avanzati di turbolenza dei fluidi quantistici."

Nello studio precedente, Guo e il suo team hanno tracciato i tubi a vortice che sono apparsi nell'elio-4 superfluido, un fluido quantistico che esiste a temperature estremamente basse. In quella ricerca, il team ha utilizzato minuscole particelle che sono state catturate nei vortici per tracciare il loro movimento. Hanno scoperto che i vortici si diffondono molto più velocemente di quanto ci si aspetterebbe in base al movimento apparentemente casuale dei tubi. Questa rapida diffusione è nota come superdiffusione.

Nell'ultimo lavoro, i ricercatori hanno costruito un modello numerico e utilizzato i risultati del loro studio precedente per convalidare l'accuratezza del modello riproducendo i risultati sperimentali. Ciò ha permesso loro di prevedere come i tubi a vortice potrebbero formarsi e diffondersi all'interno dei superfluidi a un intervallo di temperatura più ampio. La simulazione ha anche prodotto prove inequivocabili a sostegno del meccanismo fisico proposto dagli autori per spiegare la superdiffusione del vortice osservata.

I ricercatori mirano a comprendere la turbolenza nei fluidi quantistici per i vantaggi della ricerca di base e per il possibile utilizzo in applicazioni pratiche, come la fabbricazione di nanofili. I tubi a vortice attirano le particelle che si raggruppano in linee incredibilmente sottili. Il controllo di tale processo consente la produzione dei cosiddetti nanofili, che hanno uno spessore misurato in nanometri.

"La dispersione delle particelle nel flusso turbolento è un argomento molto attivo nel campo della turbolenza classica, ma ha ricevuto meno attenzione nella comunità dei fluidi quantistici", ha affermato Yuan Tang, co-autore principale e ricercatore post-dottorato presso la sede nazionale della FSU. Laboratorio ad alto campo magnetico. "Il nostro lavoro potrebbe stimolare ulteriori ricerche future sulla dispersione delle particelle nei fluidi quantistici."

I coautori dell'articolo includono Satoshi Yui e Makoto Tsubota della Osaka Metropolitan University, in Giappone, e Hiromichi Kobayashi della Keio University, in Giappone. Questo documento è stato selezionato da Physical Review Letters come suggerimento della redazione. + Esplora ulteriormente

I ricercatori di ingegneria visualizzano il moto dei vortici in turbolenza superfluida