Российский физик предсказал необычные свойства квантовых вихрей
В Тольяттинском государственном университете (ТГУ) разработали математическую модель, описывающую поведение квантового вихревого кольца рядом с твердой стенкой. Расчеты помогли объяснить, при каких условиях вихри возникают в сверхтекучей жидкости, и выявили несколько необычных свойств этих объектов, включая возможность отрицательной эффективной массы.
Квантовая турбулентность — это хаос вихрей в сверхтекучих жидкостях, например, в жидком гелии. Пока ученые не могут точно описать, как из беспорядка рождается упорядоченное течение или наоборот.
Автор работы — профессор Института цифровых технологий ТГУ, доктор физико-математических наук, профессор Сергей Талалов разработал модель, которая показывает, что в определенных ситуациях квантовые вихри с высокой вероятностью концентрируются у поверхности, а не в глубине жидкости. Это означает, что квантовый пограничный слой действительно существует. Раньше считалось, что в сверхтекучих жидкостях такого слоя нет, и его существование требовало теоретического обоснования. Экспериментальное подтверждение существования пограничного слоя в сверхтекучей жидкости появилось, по меркам теоретической физики, совсем недавно — в 2017 году.
Кроме того, ученый установил, что вихри в рассмотренной квантовой системе возникают не при любых условиях: их появление напрямую зависит от скорости набегающего потока. Пока жидкость течет медленно, вихрей нет, но как только скорость превышает некоторое критическое значение, становятся возможными устойчивые вихревые состояния.
Одним из самых неожиданных выводов работы стало предсказание существования у вихря отрицательной эффективной массы. Это означает, что в определенных квантовых состояниях при увеличении импульса энергия будет не увеличиваться, а уменьшаться.
«Если апеллировать к классическим аналогиям, которых здесь, по большому счету нет, это похоже на ситуацию, когда вы толкаете тележку, а она катится вам навстречу», — пояснил Сергей Талалов.
Модель также предсказывает, что некоторые рассмотренные квантовые состояния вихря нестабильны и имеют конечное время жизни. Это соответствует реальной картине турбулентности, где вихри постоянно рождаются и исчезают.
«Сейчас главная задача — перейти от описания одиночного вихря к моделированию их ансамбля. Именно взаимодействие множества вихрей рождает турбулентность. Следующий шаг — построить такую теорию. В целом, это задача на длительный период. Предполагаю, что кроме новых идей, здесь потребуется компьютерное моделирование с привлечением методов работы с большими данными», — отметил Сергей Талалов.
По словам ученого, понимание того, как ведет себя множество вихрей с самого начала их возникновения, позволит описать природу турбулентности на фундаментальном уровне. А это, в свою очередь, важно для сверхтекучих систем, которые уже применяются в научных экспериментах и перспективных разработках.