超流氦中的模拟涡环结构。图片来源：佛罗里达州立大学
科技日报记者 张梦然
超流体是现代物理学研究中一个令人着迷的话题。超流体受量子力学控制并以其无摩擦流动而闻名，其不寻常的特性和深远的应用引起了科学家的兴趣。美国佛罗里达州立大学工程学院研究人员日前在研究涡流如何在量子流体中运动方面取得了里程碑式的突破性成果。他们对超流氦中涡环运动的研究发表在《自然·通讯》上，为支持最近开发的量子化涡流理论模型提供了关键证据。
研究人员表示，该发现解决了长期存在的问题，并增强了对超流体内涡动力学的理解。超流体的一个关键特征是存在量子化涡旋，类似于微型龙卷风的薄空心管。这些在超流氦的湍流和中子星旋转相关现象中发挥着重要作用。然而，想要准确预测涡流运动非常具有挑战性。
有鉴于此，研究团队使用了被捕获在涡环内的固化氘示踪粒子。通过用片状成像激光照射它们，团队捕获了精确的图像并量化了它们的运动。
团队使用多种理论模型进行了模拟，证明了只有最近提出的自洽双向模型（S2W模型）才能准确地再现观察到的涡环运动。根据S2W模型，环与热环境相互作用时应该收缩，收缩速度比早期理论预测的要慢。
这一研究提供了首个支持S2W模型的实验证据。其突破意义不仅仅局限于超流氦，经过验证的S2W模型还有望在其他量子流体系统中得到应用，例如原子玻色—爱因斯坦凝聚体和超流体中子星。