量子乱流でエネルギーが消失する仕組みを解明。この発見は、ミクロから惑星までのスケールの乱流をよりよく理解する道を開くものである。 Researchers show how energy disappears in quantum turbulence. The discovery paves way for a better understanding of turbulence in scales ranging from the microscopic to the planetary
2023-03-14 フィンランド・アールト大学
乱流は、飛行機を揺らす力と同じ力が、水の中の渦や、原子のサブ粒子の渦でも起こる現象である。しかし、相互作用が様々な距離や時間スケールで起こるため、計算やコンピュータモデリングで解決することはできない。量子渦と呼ばれる微小な渦が形成される超流体内で起こる乱流を研究することで、物理学者たちはこの問題に取り組んできた。
Aalto大学の研究者たちは、量子波乱流の新たな研究により、マクロスケールからミクロスケールへのエネルギーの移動に関する新しい理解を示した。彼らの研究結果は、エネルギーが小スケールで消失する方法に関する理論的な予測を確認した。
今後、量子レベルから始まる乱流の改善された理解は、水や空気の流れや振る舞いが重要な問題である分野において、改良されたエンジニアリングを可能にするかもしれない。
＜関連情報＞
- https://www.aalto.fi/en/news/building-an-understanding-of-quantum-turbulence-from-the-ground-up-0
- https://www.nature.com/articles/s41567-023-01966-z
回転する量子波乱流 Rotating quantum wave turbulence
J. T. Mäkinen,S. Autti,P. J. Heikkinen,J. J. Hosio,R. Hänninen,V. S. L’vov,P. M. Walmsley,V. V. Zavjalov & V. B. Eltsov
Nature Physics Published:02 March 2023
DOI:https://doi.org/10.1038/s41567-023-01966-z
Abstract
Turbulence under strong influence of rotation is described as an ensemble of interacting inertial waves across a wide range of length scales. In macroscopic quantum condensates, the quasiclassical turbulent dynamics at large scales is altered at small scales, where the quantization of vorticity is essential. The nature of this transition remains an unanswered question. Here we expand the concept of wave-driven turbulence to rotating quantum fluids where the spectrum of waves extends to microscopic scales as Kelvin waves on quantized vortices. We excite inertial waves at the largest scale by periodic modulation of the angular velocity and observe dissipation-independent transfer of energy to smaller scales and the eventual onset of the elusive Kelvin wave cascade at the lowest temperatures. We further find that energy is pumped to the system through a boundary layer distinct from the classical Ekman layer and support our observations with numerical simulations. Our experiments demonstrate a regime of turbulent motion in quantum fluids where the role of vortex reconnections can be neglected, thus stripping the transition between the classical and the quantum regimes of turbulence down to its constituent components.
