Une illustration montrant des tubes à vortex quantique subissant une apparente superdiffusion. Les points blancs représentent des particules piégées que les chercheurs ont suivies pour visualiser et suivre le mouvement des tubes, et les lignes rouges représentent les motifs aléatoires que les particules ont parcourus. Crédit :Avec l'aimable autorisation de Wei Guo
Le lauréat du prix Nobel de physique Richard Feynman a un jour décrit la turbulence comme "le problème non résolu le plus important de la physique classique".
Comprendre la turbulence dans les fluides classiques comme l'eau et l'air est difficile en partie à cause du défi d'identifier les tourbillons tourbillonnant dans ces fluides. La localisation des tubes vortex et le suivi de leur mouvement pourraient grandement simplifier la modélisation de la turbulence.
Mais ce défi est plus facile dans les fluides quantiques, qui existent à des températures suffisamment basses pour que la mécanique quantique - qui traite de la physique à l'échelle des atomes ou des particules subatomiques - régisse leur comportement.
Dans une nouvelle étude publiée dans Actes de l'Académie nationale des sciences , Des chercheurs de la Florida State University ont réussi à visualiser les tubes vortex dans un fluide quantique, découvertes qui pourraient aider les chercheurs à mieux comprendre la turbulence dans les fluides quantiques et au-delà.
"Notre étude est importante non seulement parce qu'elle élargit notre compréhension de la turbulence en général, mais aussi parce qu'il pourrait bénéficier aux études de divers systèmes physiques qui impliquent également des tubes vortex, comme les supraconducteurs et même les étoiles à neutrons, " dit Wei Guo, professeur agrégé de génie mécanique au FAMU-FSU College of Engineering et chercheur principal de l'étude.
L'équipe de recherche a étudié l'hélium-4 superfluide, un fluide quantique qui existe à des températures extrêmement basses et peut s'écouler indéfiniment dans un espace étroit sans friction apparente.
L'équipe de Guo a examiné les particules de traceur piégées dans les tourbillons et a observé pour la première fois qu'à mesure que les tubes tourbillonnaires apparaissaient, ils se déplaçaient de manière aléatoire et, en moyenne, rapidement éloigné de leur point de départ. Le déplacement de ces traceurs piégés a semblé augmenter avec le temps beaucoup plus rapidement que celui de la diffusion moléculaire régulière, un processus connu sous le nom de superdiffusion.
L'analyse de ce qui s'est passé les a amenés à découvrir comment les vitesses du vortex ont changé au fil du temps, ce qui est une information importante pour la modélisation statistique de la turbulence des fluides quantiques.
De gauche, Wei Guo, professeur agrégé de génie mécanique au FAMU-FSU College of Engineering, et Yuan Tang, chercheur postdoctoral au Laboratoire National des Champs Magnétiques Élevés, devant le dispositif expérimental. Crédit :Avec l'aimable autorisation de Wei Guo
"La superdiffusion a été observée dans de nombreux systèmes tels que le transport cellulaire dans les systèmes biologiques et les modèles de recherche des chasseurs-cueilleurs humains, " a déclaré Guo. " Une explication établie de la superdiffusion pour les choses se déplaçant au hasard est qu'elles ont parfois des déplacements exceptionnellement longs, qui sont connus sous le nom de vols Lévy.
Mais après avoir analysé leurs données, L'équipe de Guo a conclu que la superdiffusion des traceurs dans leur expérience n'était pas réellement causée par les vols de Lévy. Quelque chose d'autre se passait.
"Nous avons finalement compris que la superdiffusion que nous avons observée était causée par la relation entre les vitesses du vortex à différents moments, " dit Yuan Tang, chercheur postdoctoral au National High Magnetic Field Laboratory et auteur d'un article. "Le mouvement de chaque segment de vortex semblait initialement aléatoire, mais en fait, la vitesse d'un segment à un moment donné était positivement corrélée à sa vitesse à l'instance suivante. Cette observation nous a permis de découvrir certaines propriétés statistiques génériques cachées d'un enchevêtrement de vortex aléatoire chaotique, ce qui pourrait être utile dans plusieurs branches de la physique."
Contrairement aux fluides classiques, les tubes vortex dans l'hélium-4 superfluide sont des objets stables et bien définis.
"Ce sont essentiellement de minuscules tornades tourbillonnant dans une tempête chaotique mais avec des noyaux creux extrêmement minces, " Tang a dit. " Vous ne pouvez pas les voir à l'œil nu, même pas avec le microscope le plus puissant."
"Pour résoudre ce problème, nous avons mené nos expériences dans le laboratoire de cryogénie, où nous avons ajouté des particules traceuses dans l'hélium pour les visualiser, " a ajouté Shiran Bao, chercheur postdoctoral au National High Magnetic Field Laboratory et auteur d'un article.
Les chercheurs ont injecté un mélange de deutérium gazeux et d'hélium gazeux dans l'hélium superfluide froid. Lors de l'injection, le gaz deutérium s'est solidifié et a formé de minuscules particules de glace, que les chercheurs ont utilisé comme traceurs dans le fluide.
"Tout comme les tornades dans l'air peuvent aspirer les feuilles voisines, nos traceurs peuvent également se coincer sur les tubes vortex en hélium lorsqu'ils sont proches des tubes, " dit Guo.
Cette technique de visualisation n'est pas nouvelle et a été utilisée par des scientifiques dans des laboratoires de recherche du monde entier, mais la percée de ces chercheurs a été de développer un nouvel algorithme qui leur a permis de distinguer les traceurs piégés sur les vortex de ceux qui ne l'étaient pas.
