实验原理。a，在超流体中，对于固定的径向波数，完全色散关系（蓝线）超出了经典IW状态（红线），截止频率为2Ω（黑色虚线），由角速度Ω设置。这里，ω是波模式的角频率。b，光滑壁石英玻璃圆柱体，充满超流体3He-B，绕其纵轴旋转。在实验过程中，我们使用两对NMR拾取和激发线圈监测两个位置的涡旋配置。石英玻璃容器从底部打开到具有粗糙银烧结表面的热交换器体积。c，涡旋的空间分布用磁振子BEC监测，通过自旋轨道能量的空间变化（称为纹理）在轴向方向上捕获磁场H的最小值和径向方向捕获涡旋。径向捕获电位因涡流的存在而改变。d，我们使用脉冲核磁共振来探测磁纹理陷阱中的基态频率。频率显示为从拉莫尔频率f的偏移L.信号的松弛率取决于涡旋密度，而最终频率（虚线）受涡旋方向的影响。来源：自然物理学（2023 年）。DOI： 10.1038/s41567-023-01966-z

大多数人只会遇到湍流作为航空旅行的一个令人不快的特征，但对于物理学家和工程师来说，这也是一个众所周知的复杂问题。同样的力使飞机嘎嘎作响，在一杯水中旋转，甚至在亚原子粒子的漩涡中旋转。由于湍流涉及跨一系列距离和时间尺度的相互作用，因此该过程太复杂，无法通过计算或计算建模来解决 - 涉及的信息太多了。

科学家们试图通过研究超流体中发生的湍流来解决这个问题，超流体是由微小的相同漩涡形成的，称为量子化涡旋。一个关键问题是湍流如何在量子尺度上发生，以及它如何与更大尺度的湍流联系起来。

阿尔托大学的研究人员通过一项对量子波湍流的新研究使这一目标更加接近。他们的研究结果发表在《自然物理学》上，展示了对波状运动如何将能量从宏观长度尺度转移到微观长度尺度的新理解，他们的结果证实了关于能量如何在小尺度上耗散的理论预测。

能量如何消失

由资深科学家弗拉基米尔·埃尔佐夫（Vladimir Eltsov）领导的研究小组在阿尔托低温实验室的一个独特的旋转超低温冰箱中研究了氦-3同位素中的湍流。他们发现，在微观尺度上，所谓的开尔文波通过不断将能量推向越来越小的尺度来作用于单个涡旋 - 最终导致能量耗散发生的尺度。

研究人员在他们的研究中使用了一种独特的旋转低温恒温器。来源：Mikko Raskinen/阿尔托大学

“能量如何在超低温下从量子化涡旋中消失的问题在量子湍流研究中至关重要。我们的实验装置是开尔文波将能量转移到耗散长度尺度的理论模型首次在现实世界中得到证明，“该研究的主要作者，阿尔托博士后研究员Jere Mäkinen说。

在未来，从量子水平开始对湍流的更好理解可以允许在流体和气体（如水和空气）的流动和行为是一个关键问题的领域改进工程。

“我们对湍流基本组成部分的研究可能有助于更好地理解湍流中不同长度尺度之间的相互作用。了解经典流体将有助于我们做一些事情，例如改善车辆的空气动力学，以更好的精度预测天气或控制管道中的水流。理解宏观湍流有大量潜在的现实世界用途，“Mäkinen说。

目前，Eltsov，Mäkinen和其他人计划去科学带他们去的地方。目前，他们的目标是使用浸没在超流体中的纳米级设备操纵单个量子化涡旋。

更多信息： J. T. Mäkinen 等人，旋转量子波湍流，自然物理学 （2023）。DOI： 10.1038/s41567-023-01966-z

期刊信息：《自然物理学》