Fyzici z MFF UK detailně popsali kvantovou turbulenci

23. dubna 2021

V nové studii, která vyšla počátkem dubna v prestižním americkém časopise PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences), vědci z MFF UK ve spolupráci s kolegou z New York University shrnují experimentální poznatky o kvantové turbulenci z posledních několika desítek let. Jejich práce by měla mimo jiné přispět k lepšímu pochopení turbulence tekutin jako takové, která je považována za poslední nevyřešený problém klasické fyziky.

Jako turbulentní proudění (turbulence) je označován chaotický pohyb tekutin, během kterého dochází k náhlým a nepravidelným změnám rychlosti proudění, hustoty i tlaku tekutiny. V přírodě je turbulentní proudění prakticky všudypřítomné. Vyskytuje se v obrovském rozsahu délkových měřítek – od molekulárních až po kosmologické. Turbulenci a její projevy je možné pozorovat v zemské atmosféře, oceánech, ve vesmíru, ale také třeba ve vodě vytékající z kohoutku. V praxi s ní musejí počítat například piloti, meteorologové či astrofyzici.

Přestože jde o tak zásadní jev, jehož studiem se vědci zabývají po staletí – mezi první myslitele, kteří jej zkoumali, patřil Leonardo da Vinci – dodnes se jeho zákonitosti nepodařilo dostatečně vysvětlit. Jednu z možných cest pro jejich hlubší pochopení nabízí studium kvantové turbulence.

„Kvantová turbulence je druhem turbulentního proudění, které existuje v kvantových kapalinách, například i v supratekutém héliu. To při velmi nízkých teplotách za jistých podmínek teče zcela bez vnitřního tření, podobně jako supravodiče mohou vést elektrický proud zcela bez odporu,“ vysvětluje doc. David Schmoranzer, člen skupiny supratekutosti na Katedře fyziky nízkých teplot MFF UK a spoluautor nové studie.

Kapalné hélium prochází při ochlazení pod kritickou teplotu fázovým přechodem druhého druhu a stává se kvantovou supratekutou kapalinou s řadou neobvyklých vlastností, ke kterým patří existence kvantovaných vírů. Zatímco v případě klasické turbulence jsou víry topologicky nestabilní a je obtížné je idenfitikovat, víry v supratekuté kapalině jsou všechny do jisté míry stejné, a je tedy jednodušší je zkoumat. Fyzici proto věří, že právě jejich studium by mohlo přinést cenné poznatky pro pochopení obecných principů turbulentních proudění.

Nová studie poskytuje ucelený pohled na vlastnosti kvantové turbulence, konkrétně na podobu jejího tzv. energetického spektra, které popisuje, kolik energie je obsaženo v pohybu tekutiny na různých délkových měřítkách – od těch největších (rozměry nádoby) až po měřítka menší než vzájemná vzdálenost kvantovaných vírů.

Autoři vycházeli z experimentálních poznatků získaných během několika posledních desítek let vědci na MFF UK i pracovištích jinde ve světě. „Opírali jsme se o veškeré pokroky v oblasti kvantové turbulence, včetně nových experimentálních technik využívajících citlivé mikrorezonátory nebo různé způsoby vizualizace proudění supratekutého hélia,“ říká doc. Schmoranzer.

Skupina supratekutosti, kterou na Matfyzu vede prof. Ladislav Skrbek – jenž je současně hlavním autorem studie – zkoumá kvantovou turbulenci v supratekutém héliu pomocí specializovaného kryogenního vybavení, kde je možné v rámci experimentů dosahovat extrémně nízkých teplot až kolem 10 mK, tedy 0,01 stupně nad absolutní nulou. (Na úvodním snímku detail rozpouštěcího refrigerátoru.) V současnosti se tento mezinárodní tým katedry fyziky nízkých teplot, jehož členy jsou kromě autorů článku doc. Marco La Mantia, doc. Miloš Rotter, Yunhu Huang, PhD., Zhuolin Xie, PhD., a doktorand RNDr. Patrik Švančara, soustředí na vizualizaci proudění supratekutého hélia, na využití nanomechanických senzorů k rozlišení jednotlivých kvantovaných vírů, vyjasnění vztahu mezi kvantovou a klasickou turbulencí a také na studium speciálních typů proudění, jež mají překvapivou souvislost s některými astrofyzikálními otázkami – např. s neutronovými hvězdami.

OPMK

 

Univerzita Karlova, Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3, 121 16 Praha 2
IČ: 00216208, DIČ: CZ00216208