發現在光量子流體中產生巨大渦旋的新機制

2021-03-11 13:18:38

任何將浴缸中的水或攪拌好的奶油倒入咖啡中的人都看到了渦旋,渦旋是無處不在的,當流體循環時就會出現。但是與水不同,受量子力學奇怪規則支配的流體有一個特殊的限制:正如1945年諾貝爾獎獲得者拉爾斯·昂薩格(Lars Onsager)首次預測的那樣,量子流體中的渦旋只能以整數為單位進行扭曲。

預測這些旋轉結構對于研究從量子系統到黑洞的一切都有廣泛的用途。但是,盡管在許多系統中已經看到了具有單個旋轉單位的最小可能的量子渦旋,但較大的渦旋并不穩定。盡管科學家們試圖迫使更大的渦旋束縛在一起,但結果卻好壞參半:形成渦旋時,所用方法的嚴重性通常破壞了它們的實用性。

現在,來自劍橋大學的塞繆爾·阿爾珀林(Samuel Alperin)和納塔利婭·貝洛夫(Natalia Berloff)教授發現了一種理論機制,通過該機制,巨量子渦旋不僅穩定,還可以在幾乎均勻的流體中自行形成。這項發現發表在《Optica》雜志上,可能為進行實驗鋪平道路,這些實驗可能有助于洞察與巨大的量子渦旋相似的旋轉黑洞的性質。

為此,研究人員使用了光與物質的量子混合體,稱為極化子。這些粒子是通過將激光照射到特殊分層的材料上而形成的。Alperin說:“當光被夾在層中時,光和物質變得不可分離,將所得物質視為不同于光或物質的東西變得更加實用,同時又繼承了兩者的特性。”博士學位 劍橋大學應用數學和理論物理系的學生。

極化子最重要的特性之一來自簡單的事實,即光不會永遠被捕獲。需要高密度的奇異粒子的極化子流體不斷地驅散光,并且需要饋入激光的新鮮光才能生存。阿爾佩林說:“結果是一種流體,它永遠不會沉降,也不需要遵守物理學中通常存在的基本限??制,例如能量守恒。在這里,能量可以作為能量的一部分而改變。流體的動力學。”

研究人員利用正是這些恒定的液體光流來形成難以捉摸的巨大渦旋。新提案沒有將激光照射在極化子流體本身上,而是將光塑造成環形,從而像水流到浴缸排水口一樣,引起恒定的向內流動。根據理論,這種流動足以將任何旋轉集中到一個巨大的渦旋中。

Alperin說:“巨大的渦旋確實可以在適合他們的研究和技術應用的條件下存在,這真是令人驚訝,”但實際上,這只是證明了極化子的流體力學與完全研究透徹的量子流體是多么截然不同的。這是令人興奮的領域。”

研究人員說,他們才剛剛開始研究巨型量子渦旋。他們能夠模擬幾個量子渦旋的碰撞,因為它們以不斷增加的速度相互舞動,直到它們碰撞形成一個類似于黑洞碰撞的巨型渦旋。他們還解釋了探索最大漩渦尺寸的不穩定性,同時探索了復雜的漩渦行為物理學。

Alperin說:“這些結構具有一些有趣的聲學特性:它們的聲共振取決于它們的旋轉,因此它們會唱歌有關自身的信息。” “從數學上講,這非常類似于旋轉黑洞輻射有關其自身特性的信息的方式。”

研究人員希望相似性可以為量子流體動力學理論帶來新的見解,但他們也表示,極化子可能是研究黑洞行為的有用工具。

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