Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Кванттық турбуленттілік – бұл кванттық сұйықтықтардың, мысалы, суперсұйықтықтардың жоғары ағын жылдамдықтарындағы хаотикалық қозғалысын сипаттайтын турбулентті ағын. Ричард Файнман алғаш рет суперсұйықтықта квантталған құйын сызықтары арқылы турбуленттілік мүмкін екенін ұсынды. Кванттық сұйықтықтардың динамикасы классикалық физика емес, кванттық механика заңдарымен басқарылады. Кванттық сұйықтықтарға суперсұйықтық гелий (4He және 3He Купер жұптары), Бозе-Эйнштейн конденсаттары (BEC), поляритон конденсаттары және нейтрон жұлдыздарының ішінде бар деп есептелетін ядролық паста жатады. Кванттық сұйықтықтар Бозе-Эйнштейн конденсациясы жүзеге асатын температурадан төмен температурада ғана қалыптасады.
Quantum turbulence is the name given to the turbulent flow – the chaotic motion of a fluid at high flow rates – of quantum fluids, such as superfluids. The idea that a form of turbulence might be possible in a superfluid via the quantized vortex lines was first suggested by Richard Feynman. The dynamics of quantum fluids are governed by quantum mechanics, rather than classical physics which govern classical (ordinary) fluids. Some examples of quantum fluids include superfluid helium (4He and Cooper pairs of 3He), Bose–Einstein condensates (BECs), polariton condensates, and nuclear pasta theorized to exist inside neutron stars. Quantum fluids exist at temperatures below the critical temperature at which Bose Einstein condensation takes place.
Үштіктердің жалпы қасиеттері
Кванттық сұйықтықтардың турбуленттігі негізінен екі кванттық сұйықтықта зерттелді: сұйық гелий және атомдық конденсаттар. Гелийдің екі тұрақты изотопында, яғни кең таралған 4He және сирек кездесетін 3He эксперименттік байқаулар жүргізілді. Соңғы изотоптың А фазасы және В фазасы деп аталатын екі фазасы бар. А фазасы күшті анизотроптық, және оның өте қызықты гидродинамикалық қасиеттері болғанымен, турбуленттілік тәжірибелері тек В фазасында ғана жүргізілді. Гелий шамамен 4 К температурада сұйықталады. Бұл температурада сұйықтық өте төмен тұтқырлыққа ие классикалық сұйықтық сияқты мінез-құлық көрсетеді, бұл гелий I деп аталады. Тағы суытқаннан кейін, гелий I Бозе-Эйнштейн конденсациясына ұшырап, суперсұйықтыққа айналады, бұл гелий II деп аталады. Гелийдің Бозе-Эйнштейн конденсациясы үшін шын температура 2,17 К (қаныққан бу қысымында), ал 3He B үшін шамамен бірнеше мК құрайды. Атомдық конденсаттарда гелийдегідей турбуленттілікке көп тәжірибелік дәлелдер болмаса да, рубидий, натрий, цезий, литий және басқа элементтермен тәжірибелер жүргізілді. Бұл жүйелердің шын температурасы микрокельвин шамасында болады. Кванттық сұйықтықтарды классикалық сұйықтықтардан ерекшелейтін екі негізгі қасиет бар: суперсұйықтық және квантталған айналым.
The turbulence of quantum fluids has been studied primarily in two quantum fluids: liquid Helium and atomic condensates. Experimental observations have been made in the two stable isotopes of Helium, the common 4He and the rare 3He. The latter isotope has two phases, named the A phase and the B phase. The A phase is strongly anisotropic, and although it has very interesting hydrodynamic properties, turbulence experiments have been performed almost exclusively in the B phase. Helium liquidizes at a temperature of approximately 4K. At this temperature, the fluid behaves like a classical fluid with extraordinarily small viscosity, referred to as helium I. After further cooling, Helium I undergoes Bose Einstein condensation into a superfluid, referred to as helium II. The critical temperature for Bose Einstein condensation of helium is 2.17K (at the saturated vapour pressure), while only approximately a few mK for 3He B. Although in atomic condensates there is not as much experimental evidence for turbulence as in Helium, experiments have been performed with rubidium, sodium, caesium, lithium and other elements. The critical temperature for these systems is of the order of micro Kelvin. There are two fundamental properties of quantum fluids that distinguish them from classical fluids: superfluidity and quantized circulation.
Өте сұйық
Супертілшiлiк элементтік қоздырғыштардың дисперсиялық қатынасының нәтижесінде туындайды және осы қасиетті көрсететін сұйықтықтар тұтқырлықсыз ағып өтеді. Бұл кванттық турбуленттілік үшін өте маңызды, себебі классикалық сұйықтықтардағы тұтқырлық кинетикалық энергияның жылуға таралуына себеп болады, соның салдарынан сұйықтықтың қозғалысы тоқтатылады. Ландау болжағандай, егер суперсұйықтық белгілі бір шекті жылдамдықтан асып кетсе (немесе керісінше, дененің статикалық сұйықтықтағы жылдамдығы артса), жылулық қоздырылымдар (ротондар) пайда болады, себебі квазибөлшектерді жасау энергетикалық тұрғыдан тиімді болады, нәтижесінде сұйықтық супертілшiлiк қасиеттерін жояды. Гелий II үшін бұл шекті жылдамдық .
Superfluidity arises as a consequence of the dispersion relation of elementary excitations, and fluids that exhibit this behaviour flow without viscosity. This is a vital property for quantum turbulence as viscosity in classical fluids causes dissipation of kinetic energy into heat, damping out motion of the fluid. Landau predicted that if a superfluid flows faster than a certain critical velocity (or alternatively an object moves faster than in a static fluid) thermal excitations (rotons) are emitted as it becomes energetically favourable to generate quasiparticles, resulting in the fluid no longer exhibiting superfluid properties. For helium II, this critical velocity is .
Вортекстік сызықтардың қасиеттері
Вортекстік сызықтар – фазаның топологиялық сызықтық кемшіліктері болып табылады. Олардың пайда болуы кванттық сұйықтықтың аймағын көп байланысқан аймаққа айналдырады. 2-суретте көрсетілгендей, оське жақын және вортекстік сызықта тығыздықтың төмендеуін байқауға болады. Вортекстік өзектің мөлшері әртүрлі кванттық сұйықтықтар үшін өзгеше болады. Гелий II үшін шамамен , 3He B үшін және типтік атомдық конденсаттар үшін вортекстік өзектің мөлшері орташа есеппен құрайды. Кванттық сұйықтықтағы ең қарапайым вортекстік жүйе бір түзу вортекстік сызықтан тұрады; мұндай конфигурацияның жылдамдық өрісі таза азимуталды және келесі формуламен беріледі. Бұл Эйлер теңдеуінің классикалық вортекстік сызығының шешімі үшін де сол формула, бірақ классикалық жағдайда бұл модель физикалық тұрғыдан дұрыс емес, себебі жылдамдық шексіздікке ұмтылады. Бұл 2-суретте көрсетілген Ранкин вортексі идеясына әкеледі, ол кішкентай мәндер үшін қатты дененің айналуын және үлкен мәндер үшін вортекстік қозғалысты біріктіреді, бұл қалыпты классикалық вортекстердің көбірек шындыққа сәйкес келетін моделі. Классикалық сұйықтықтардағы вортекстермен көптеген ұқсастықтарды атауға болады, мысалы, вортекстік сызықтар классикалық Келвин айналымы теоремасына бағынады: айналымы сақталады және вортекстік сызықтар шекараларда аяқталуы керек немесе жабық контурлар түрінде болуы керек. Абсолют нөл температурасында вортекстік сызықтағы нүкте, егер вортекстік сызық түзу болмаса (оқшауланған түзу вортекстік сызық қозгалмайды), сол нүктеде вортекстік сызықтың басқа бөліктері тудыратын жылдамдық өрісіне сәйкес қозғалады. Жылдамдық сұйықтықтағы кез келген басқа вортекстік сызықтар арқылы да туындауы мүмкін, бұл құбылыс классикалық сұйықтықтарда да кездеседі. Бұған қарапайым мысал – вортекстік сақина (торус пішіндес вортекстік), ол сақина радиусына кері пропорционал жылдамдықпен қозғалады, мұнда , ал бүкіл сақина жылдамдықпен қозғалады.
Vortex lines are topological line defects of the phase. Their nucleation makes the quantum fluid's region to become a multiply connected region. As given by Fig 2, density depletion can be observed near the axis, with on the vortex line. The size of the vortex core varies between different quantum fluids. The size of the vortex core is around for helium II, for 3He B and for typical atomic condensates The simplest vortex system in a quantum fluid consists of a single straight vortex line; the velocity field of such configuration is purely azimuthal given by This is the same formula as for a classical vortex line solution of the Euler equation, however, classically, this model is physically unrealistic as the velocity diverges as This leads to the idea of the Rankine vortex as shown in fig 2, which combines solid body rotation for small and vortex motion for large values of , and is a more realistic model of ordinary classical vortices. Many similarities can be drawn with vortices in classical fluids, for example the fact that vortex lines obey the classical Kelvin circulation theorem: the circulation is conserved and the vortex lines must terminate at boundaries or exist in the shape of closed loops. In the zero temperature limit, a point on a vortex line will travel accordingly to the velocity field that is generated at that point by the other parts of the vortex line, provided that the vortex line is not straight (an isolated straight vortex does not move). The velocity can also be generated by any other vortex lines in the fluid, a phenomenon also present in classical fluids. A simple example of this is a vortex ring (a torus shaped vortex) which moves at a self induced velocity inversely proportional to the radius of the ring , where The whole ring moves at a velocity
Вортекстік тор
Вортекстік торлар – жүйені айналдыру арқылы жасалатын вихрелік сызықтардың ламинарлық (реттелген) конфигурациялары. Радиусы *R* болатын цилиндрлі ыдыс үшін, еркін энергия *F*, сұйықтықтың бұрыштық импульсі *L* және айналу *Ω*, оның шамасы *ω* және осьтік бағыты ескеріле отырып, өрнектің ең төменгі мәнін табу арқылы вихрелік тордың пайда болу шартын шығаруға болады. Вихрелік тордың пайда болуының шекті жылдамдығы сол кезде
Бұл жылдамдықтан асып кеткен жағдайда сұйықтықта вихрь пайда болуы мүмкін. Айналуды одан әрі арттыру және келесі шекті жылдамдықтардан өту арқылы көбірек вихрьдері бар күйлер қалыптасуы мүмкін. Вихрьдер өздерін реттелген конфигурацияларға, яғни вихрелік торларға жинақтайды.
Vortex lattices are laminar (ordered) configurations of vortex lines that can be created by rotating the system. For a cylindrical vessel of radius , a condition can be derived for the formation of a vortex lattice by minimising the expression , where is the free energy, is the angular momentum of the fluid and is the rotation, with magnitude and axial direction. The critical velocity for the appearance of a vortex lattice is then
Exceeding this velocity allows for a vortex to form in the fluid. States with more vortices can be formed by increasing the rotation further, past the next critical velocities The vortices arrange themselves into ordered configurations that are called vortex lattices.
Кванттық сұйықтықтардағы Колмогоров каскады
Кванттық турбуленттілік – сұйықтықты басқаруға қабілетті кванттық механикалық әсерлерге жеткілікті төмен температурада, өте түйілген топологиясы бар бұрылыс сызықтарының көрінетін хаотикалық араласуы, олар бір-бірімен қозғалып, соқтығысқанда қайта қосылады. Таза суперсұйықтықта жүйенің энтропиясын тасымалдайтын қалыпты компонент болмайды, сондықтан сұйықтық тұтқырлықсыз ағып, таралу шкаласының болмауына әкеледі. Классикалық сұйықтықтар сияқты, кванттық ұзындық шкаласын (және k кеңістігіндегі сәйкес келетін мәнді) Колмогоров ұзындық шкаласындағы кинематикалық тұтқырлықты айналым квантымен алмастыру арқылы енгізуге болады. Сындық температурадан жоғары да, төмен де, классикалық сұйықтықтардың турбуленттігінде байқалатыннан ешқандай айырмашылығы жоқ Колмогоров энергия спектрі байқалды. Жоғары температурада қалыпты сұйықтық компонентінің болуы тұтқыр күштердің пайда болуына және жүйені жылытатын жылудың таралуына әкеледі. Осы үйкелістің салдарынан бұрылыстар тегіс болады, ал бұрылыстардың қайта қосылуынан туындаған Келвин толқындары төмен температурадағы кванттық турбуленттікке қарағанда тегіс болады. Колмогоров турбуленттігі кванттық сұйықтықтарда үлкен ұзындық шкаласындағы энергия енгізілуімен пайда болады, онда энергия спектрі инерциялық диапазонға сәйкес келеді. Нөлдік лимиттегі температурада Келвин толқындары бұрылыстар пішінінде пайда болатын иілімдерге әкеледі. Үлкен ұзындық шкалалары үшін кванттық турбуленттілік Колмогоров энергия каскады ретінде көрінеді (Гросс-Питаевский теңдеуін және бұрылыс жіпшесі моделін пайдаланатын сандық симуляциялар осы әсерді растады), энергия спектрі келесідей: Термиялық таралудың болмауы, төмен температуралық лимитте кванттық турбуленттілік жоғары температурадағыдай ыдырамайды деп болжау орынды, бірақ тәжірибелік деректер мұның солай еместігін көрсетті: кванттық турбуленттілік тіпті өте төмен температурада да ыдырайды. Келвин толқындары өзара әрекеттесіп, қысқа Келвин толқындарын жасайды, олар дыбыс (фонондар) эмиссиясына дейін қысқарады, бұл кинетикалық энергияны жылуға айналдырады, демек энергияның таралуына себеп болады. Бұл процесс энергияны кішірек және кішірек ұзындық шкалаларына, келвин толқынының каскады деп аталады және жеке бұрылыстарда жүреді. Сондықтан төмен температурадағы кванттық турбуленттілік екі каскадтан тұрады: инерциялық диапазонға сәйкес келетін Колмогоров режимі (суырғыштардың каскады), одан кейін тар мойынды плато, содан кейін бірдей заңға бағынатын, бірақ физикалық себебі әртүрлі Келвин толқынының каскады (толқындардың каскады). Бұл қазіргі консенсус, бірақ оның тек теориялық және сандық симуляциялардан туындайтынын атап өту керек: мұндай кіші ұзындық шкалаларында бақылау мен өлшеудің қиындығына байланысты Келвин толқынының каскады үшін тікелей тәжірибелік дәлелдер әлі жоқ.
For temperatures low enough for quantum mechanical effects to govern the fluid, quantum turbulence is a seemingly chaotic tangle of vortex lines with a highly knotted topology, which move each other and reconnect when they collide. In a pure superfluid, there is no normal component to carry the entropy of the system and therefore the fluid flows without viscosity, resulting in the lack of a dissipation scale Analogously to classical fluids, a quantum length scale (and the corresponding value in k space ) can be introduced by replacing the kinematic viscosity in the Kolmogorov length scale with the quantum of circulation where both above and below the critical temperature a Kolmogorov energy spectrum was observed that is indistinguishable from those observed in the turbulence of classical fluids. For higher temperatures, the existence of the normal fluid component leads to the presence of viscous forces and eventual heat dissipation which warms the system. As a consequence of this friction the vortices become smoother, and the Kelvin waves that arise due to vortex reconnections are smoother than in low temperature quantum turbulence. Kolmogorov turbulence arises in quantum fluids for energy input at large length scales, where the energy spectrum follows in the inertial range For length scales smaller than , instead the energy spectrum follows a regime. For temperatures in the zero limit, the undamped Kelvin waves result in more kinks appearing in the shapes of the vortices. For large length scales the quantum turbulence manifests as a Kolmogorov energy cascade (numerical simulations using the Gross Pitaevskii equation and the vortex filament model confirmed this effect ), with the energy spectrum following Lacking thermal dissipation, it is intuitive to assume that quantum turbulence in the low temperature limit does not decay as it would for higher temperatures, however experimental evidence showed that this was not the case: quantum turbulence decays even at very low temperatures. The Kelvin waves interact and create shorter Kelvin waves, until they are short enough that emission of sound (phonons), which results in the conversion of kinetic energy into heat, thus dissipation of energy. This process which shifts energy to smaller and smaller length scales at wavenumbers larger than is called the Kelvin wave cascade and proceeds on individual vortices. Low temperature quantum turbulence should thus consist of a double cascade: a Kolmogorov regime (a cascade of eddies) in the inertial range , followed by a bottle neck plateau, followed by the Kelvin wave cascade (a cascade of waves) that obeys the same law but with different physical origin. This is at current consensus, but it must be stressed that it arises from theory and numerical simulations only: there is currently no direct experimental evidence for the Kelvin wave cascade due to the difficulty of observing and measuring at such small length scales.
3He-B және атомдық конденсаттарда анықтау
Кванттық турбулентті 3He B-де екі тәсілмен анықтауға болады: ядролық магниттік резонанс (ЯМР) және жылу квазибөлшектерінің Андреев шашырауы арқылы. Атомдық конденсаттар үшін конденсатты кеңейту қажет (тұрақтандыру потенциалын өшіру арқылы), осылайша сурет түсіру үшін ол жеткілікті үлкен болады. Бұл процедураның кемшілігі – конденсаттың жойылғандығы. Соның нәтижесінде 2 өлшемді сурет пайда болады, ол 2 өлшемді кванттық турбулентті зерттеуге мүмкіндік береді, бірақ бұл әдіс 3 өлшемді кванттық турбулентті зерттеуге шектеулер қояды. Жеке кванттық вихрьтер 3 өлшемде байқалады, олар конденсаттың шағын бөліктерін уақыт бойынша шығарып алу арқылы қозғалып, қайта қосылады, бұл бірдей вихрь конфигурациясының уақыт тізбегін байқауға мүмкіндік береді.
Quantum turbulence can be detected in 3He B in two ways: nuclear magnetic resonance (NMR) and by Andreev scattering of thermal quasiparticles. For atomic condensates, it is typical that the condensate must be expanded (by switching off the trapping potential) so that is sufficiently large for an image to be taken. This procedure has a disadvantage as it leads to the condensate being destroyed. The outcome leads to a 2 dimensional image which allows for the study of 2 dimensional quantum turbulence, but imposes a constraint studying 3 dimensional quantum turbulence using this method. Individual quantum vortices have been observed in 3 dimensions, moving and reconnecting using a technique which extracts small fractions of the condensate at a time, allowing for the observation of a time sequence of the same vortex configuration.