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在超流氦中发现量子涡旋动力学的普遍规律

发布时间：2025-06-10 16:49:04 阅读数： 80

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从左至右依次为国家强磁场实验室的博士后研究员邢一鸣、郭伟教授和研究生尤瑟夫·阿利侯赛尼。研究人员将微小的冷冻粒子注入超流氦中，使不可见的量子涡旋变得可见。然后，他们使用激光片和高速摄像机捕捉这些涡旋的移动和重新连接过程。图片来源：Scott Holstein/佛罗里达新墨西哥州立大学-佛罗里达新墨西哥州立大学工程学院。

佛罗里达新墨西哥州立大学-佛罗里达新墨西哥州立大学工程学院和国家高磁场实验室的科学家组成的国际研究合作小组发现了一个基本普遍原理，该原理支配着微观漩涡如何在量子流体中相互作用、碰撞和转变，这对于理解按照经典物理行为的流体也具有重要意义。

这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上，揭示了超流氦中涡旋动力学的新见解。超流氦是一种非凡的液体，在接近绝对零度的温度下表现出零阻力流动。研究表明，当这些量子涡旋相交并重新连接时，它们分离的速度比其初始接近速度更快，从而产生能量爆发，这种能量爆发是量子流体和经典流体湍流的特征。

“超流体为湍流提供了一个独特清晰的视角，”该研究的共同作者、佛罗里达新墨西哥大学-佛罗里达州立大学工程学院教授郭伟说。“我们开始理解连接量子世界和经典世界的普遍物理学，这对科学和技术来说都是一个令人兴奋的前沿。”

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微观量子龙卷风

超流氦代表着自然界最非凡的物质状态之一。当冷却到接近绝对零度时，这种独特的物质会超越传统的流体行为，无摩擦地流动，能够克服重力，攀爬容器壁并轻松穿透微观屏障。与能够自由旋转的普通液体不同，超流氦将所有旋转运动限制在量子化的涡旋中。这些涡旋是一种超薄的空心管，能够根据量子力学原理保持精确固定的循环量。

“这些涡旋就像微型龙卷风，”郭教授说。“每个涡旋都携带着由量子力学决定的精确环流。它们受到拓扑保护，这意味着它们非常稳定，而且比普通流体中的涡旋更容易追踪。”

这种特殊的稳定性将这些量子结构转化为探索湍流的强大研究工具，湍流是物理学中最复杂和最混乱的现象之一，它影响着从飞机空气动力学到洋流模式的一切。

涡旋动力学的突破性发现

郭教授团队与英国和法国的合作者合作，拍摄了高分辨率图像并进行了计算模拟，揭示了碰撞量子涡旋的基本行为模式。他们的发现建立了一条适用于多种流体类型和温度范围内涡旋相互作用的普适物理定律。

研究人员将氘（氢的同位素）的微小冷冻粒子注入超流氦中，使不可见的量子涡旋变得可见。然后，他们使用激光片和高速摄像机捕捉这些涡旋的移动和重新连接过程。

“我们发现，涡旋重新连接后，分离的速度总是比聚集的速度快，”郭说。“这种时间不对称性，或者说不可逆性，原来是能量在流体中运动的基本特性，无论它们是量子的还是经典的。”

每次重联事件都会产生突然的能量爆发，并在周围的流体介质中传播，产生类似涟漪的效应，类似于心律在水中传递的波纹。当复杂的涡旋网络中同时发生多个重联时，这些协同的能量释放会触发独特形式的量子湍流，这些湍流具有在经典流体中未观察到的独特特性。

工程和技术影响

虽然量子涡旋仅存在于超流氦等奇异物质中，但它们的行为模式反映了控制日常流体（包括空气和水）中涡旋的基本原理。这种相似性使量子超流体研究能够为经典机制提供深刻见解。

郭教授团队的博士后研究员邢一鸣解释说：“通过研究这些行为良好且易于观测的量子涡旋，我们对湍流的根本性质获得了宝贵的见解。这种理解未来或许能帮助我们设计更高效的发动机，优化量子系统中的能量传递，甚至改进天气预报模型。”

这项变革性研究体现了国际科学合作的力量，汇集了英国纽卡斯尔大学和兰卡斯特大学、法国蔚蓝海岸大学和意大利国家研究委员会毛罗皮科内计算应用研究所等机构以及佛罗里达新墨西哥州立大学的研究团队。