Figure 1. Expansion dans un fluide vortex. Un fluide vortex non uniforme se dilate pour former un vortex de Rankine. (Les couleurs plus foncées représentent une densité élevée.). Crédit :FLOTTE
, Une étude menée par l'Australie a fourni de nouvelles informations sur le comportement des superfluides en rotation.
Une caractéristique déterminante des superfluides est qu'ils présentent des tourbillons quantifiés - ils ne peuvent tourner qu'avec un seul, ou deux, ou une autre quantité entière de rotation.
Malgré cette différence essentielle avec les fluides classiques, où les tourbillons peuvent tourner avec n'importe quelle force, de nombreuses caractéristiques de la dynamique collective des tourbillons dans les fluides classiques et quantiques sont similaires.
Cependant, Dans cette étude, l'équipe FLEET de l'Université du Queensland démontre une différence flagrante dans le comportement entre les fluides classiques et quantiques. Les auteurs considèrent l'expansion des amas de vortex pour montrer que pour tout arrangement initial de vortex quantifiés, un super-vortex « Rankine » se formera.
"Le comportement de nombreux tourbillons dans un superfluide est souvent chaotique et difficile à décrire théoriquement, " explique l'auteur principal Oliver Stockdale. " Notre étude surmonte ce défi en fournissant une solution exacte à la dynamique des vortex. "
La solution montre qu'un groupe de vortex chiraux (vortex qui tournent tous dans la même direction) se dilate pour former une distribution à densité constante qui a une forme similaire à un chapeau haut de forme. Une telle distribution de tourbillons, connu sous le nom de vortex de Rankine, est interdit dans les fluides classiques en raison de leur viscosité.
Figure 2. Une distribution de vortex initiale gaussienne se développe pour former un vortex de Rankine. (Simulation numérique.). Crédit :FLOTTE
Pourquoi tous les superfluides deviennent finalement des distributions de Rankine
"Les superfluides ont une viscosité nulle et peuvent supporter un vortex de Rankine, " explique Oliver. " Le résultat frappant de cette découverte est que toutes les distributions initiales de tourbillons, quelle que soit leur disposition, se dilate pour former un vortex de Rankine. Ce comportement équivalent à long terme est connu sous le nom de dynamique universelle et démontre le mécanisme par lequel un superfluide dissipe son énergie via des vortex quantifiés. »
Les auteurs emploient une théorie récemment développée qui décrit les tourbillons eux-mêmes comme un fluide.
"Tout comme l'hydrodynamique décrit le comportement de nombreuses particules fluides, il peut être utilisé pour décrire le mouvement de nombreux tourbillons, qui forment un "fluide vortex" au sein du fluide ordinaire, ", explique le co-auteur Matt Reeves.
"Toutefois, le fluide de vortex présente des contraintes « anormales » supplémentaires ; ces forces supplémentaires sont dues à la nature des tourbillons qui restreignent leur rotation à quantifier. Les termes anormaux donnent des comportements fluides inhabituels, y compris une viscosité qui est négative. Essentiellement, la viscosité négative provoque le comportement exactement opposé à une normale, fluide classique - il accentue les gradients de densité de vortex, jusqu'à ce que la distribution devienne un vortex de Rankine." Un exemple d'expansion dans la théorie des fluides vortex peut être vu sur la figure 1, où un fluide vortex initialement non uniforme se dilate pour former un vortex de Rankine.
Figure 3. Le vortex de Rankine émerge après l'expansion de l'amas dans les vortex expérimentaux (mis en évidence par des cercles blancs sur la droite). Crédit :FLOTTE
Pour étayer leurs découvertes théoriques, les auteurs simulent informatiquement la dynamique de milliers de tourbillons. Au lieu de décrire les tourbillons comme un fluide, ces simulations considèrent chaque vortex comme une entité individuelle. Comme pour la théorie des fluides tourbillonnaires, les auteurs constatent que toute distribution de vortex initiale se développe pour former un vortex de Rankine. Un exemple du résultat numérique peut être vu dans la Fig. 2, où une distribution initiale gaussienne se développe pour former un vortex de Rankine.
Finalement, les auteurs ont analysé les données d'une expérience qui a observé l'expansion d'un amas de vortex dans un vrai superfluide, qui a été créé en utilisant des atomes de rubidium ultrafroids.
"Alors que la théorie des fluides tourbillonnaires suppose qu'il y a de nombreux tourbillons présents, l'expérience n'a pu créer qu'environ onze tourbillons. Malgré le faible nombre de vortex, il y avait des preuves que le vortex de Rankine a émergé après l'expansion de l'amas, " explique le chef du projet, le professeur Matthew Davis. Les tourbillons expérimentaux sont visibles sur la figure 3, comme souligné par les cercles blancs.
Non seulement cette étude a démontré la première solution à la théorie complexe des fluides tourbillonnaires, il a fourni le premier test expérimental de la théorie. L'expérience a prédit quantitativement les principales caractéristiques de la théorie et a démontré une plate-forme pour tester davantage les propriétés du vortex de Rankine, telles que les prédictions qu'il prend en charge un effet Hall quantique de fraction analogique.
Les tourbillons sont un phénomène omniprésent dans les systèmes superfluides. Pour travailler vers l'objectif de FLEET de produire un transistor superfluide ultra-efficace, une compréhension plus complète du comportement des tourbillons dans les superfluides en écoulement est nécessaire. Cette étude de l'équipe FLEET est une étape vers un tel transistor.
Le papier, « Dynamique universelle dans l'expansion des amas de vortex dans un superfluide bidimensionnel dissipatif, " a été publié dans Examen physique de la recherche en juillet 2020.
