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.

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.

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 .

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.

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.

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.

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.