Des chercheurs en ingénierie visualisent le mouvement des tourbillons dans la turbulence superfluide – Technoguide

Le lauréat du prix Nobel de physique, Richard Feynman, a décrit la turbulence comme «le problème non résolu le plus important de la physique classique».

Comprendre la turbulence dans les fluides classiques comme l’eau et l’air est difficile en partie à cause du défi consistant à identifier les tourbillons tourbillonnant dans ces fluides. La localisation des tubes vortex et le suivi de leur mouvement pourraient grandement simplifier la modélisation de la turbulence.

Mais ce défi est plus facile dans les fluides quantiques, qui existent à des températures suffisamment basses pour que la mécanique quantique – qui traite de la physique à l’échelle des atomes ou des particules subatomiques – régit leur comportement.

Dans une nouvelle étude publiée dans Proceedings of the National Academy of Sciences, des chercheurs de la Florida State University ont réussi à visualiser les tubes vortex dans un fluide quantique, des découvertes qui pourraient aider les chercheurs à mieux comprendre la turbulence dans les fluides quantiques et au-delà.

De gauche à droite, Wei Guo, professeur agrégé de génie mécanique au Collège d’ingénierie FAMU-FSU, et Yuan Tang, chercheur postdoctoral au Laboratoire national de champ magnétique élevé, devant l’installation expérimentale. (Gracieuseté de Wei Guo)

“Notre étude est importante non seulement parce qu’elle élargit notre compréhension de la turbulence en général, mais aussi parce qu’elle pourrait profiter aux études de divers systèmes physiques qui impliquent également des tubes vortex, tels que des supraconducteurs et même des étoiles à neutrons”, a déclaré Wei Guo, un associé. professeur de génie mécanique au FAMU-FSU College of Engineering et chercheur principal de l’étude.

L’équipe de recherche a étudié l’hélium-4 superfluide, un fluide quantique qui existe à des températures extrêmement basses et peut s’écouler pour toujours dans un espace étroit sans frottement apparent.

L’équipe de Guo a examiné les particules traceurs piégées dans les tourbillons et a observé pour la première fois que lorsque des tubes vortex apparaissaient, ils se déplaçaient selon un schéma aléatoire et, en moyenne, s’éloignaient rapidement de leur point de départ. Le déplacement de ces traceurs piégés semble augmenter avec le temps beaucoup plus rapidement que celui de la diffusion moléculaire régulière – un processus connu sous le nom de superdiffusion.

L’analyse de ce qui s’est passé les a amenés à découvrir comment les vitesses des vortex ont changé au fil du temps, ce qui est une information importante pour la modélisation statistique de la turbulence quantique-fluide.

“La superdiffusion a été observée dans de nombreux systèmes tels que le transport cellulaire dans les systèmes biologiques et les schémas de recherche des chasseurs-cueilleurs humains”, a déclaré Guo. “Une explication établie de la superdiffusion pour les choses se déplaçant au hasard est qu’elles ont parfois des déplacements exceptionnellement longs, qui sont connus sous le nom de vols de Lévy.”

Mais après avoir analysé leurs données, l’équipe de Guo a conclu que la superdiffusion des traceurs dans leur expérience n’était pas réellement causée par les vols de Lévy. Il se passait autre chose.

«Nous avons finalement compris que la superdiffusion que nous avons observée était causée par la relation entre les vitesses de vortex à différents moments», a déclaré Yuan Tang, chercheur postdoctoral au Laboratoire national de champ magnétique élevé et auteur de papier. “Le mouvement de chaque segment de vortex semblait initialement être aléatoire, mais en fait, la vitesse d’un segment à un moment donné était positivement corrélée à sa vitesse à la prochaine instance. Cette observation nous a permis de découvrir certaines propriétés statistiques génériques cachées d’un enchevêtrement chaotique de vortex aléatoire, qui pourrait être utile dans plusieurs branches de la physique. “

Contrairement aux fluides classiques, les tubes vortex en hélium-4 superfluide sont des objets stables et bien définis.

“Ce sont essentiellement de minuscules tornades tourbillonnant dans une tempête chaotique mais avec des noyaux creux extrêmement minces”, a déclaré Tang. “Vous ne pouvez pas les voir à l’œil nu, même pas avec le microscope le plus puissant.”

«Pour résoudre ce problème, nous avons mené nos expériences dans le laboratoire de cryogénie, où nous avons ajouté des particules de traceur dans l’hélium pour les visualiser», a ajouté Shiran Bao, chercheur postdoctoral au Laboratoire national de champ magnétique élevé et auteur d’un article.

Les chercheurs ont injecté un mélange de gaz deutérium et d’hélium gazeux dans l’hélium superfluide froid. Lors de l’injection, le gaz de deutérium s’est solidifié et a formé de minuscules particules de glace, que les chercheurs ont utilisées comme traceurs dans le fluide.

“Tout comme les tornades dans l’air peuvent aspirer les feuilles à proximité, nos traceurs peuvent également être piégés sur les tubes vortex dans l’hélium lorsqu’ils sont proches des tubes”, a déclaré Guo.

Cette technique de visualisation n’est pas nouvelle et a été utilisée par des scientifiques dans des laboratoires de recherche du monde entier, mais la percée de ces chercheurs a été de développer un nouvel algorithme qui leur a permis de distinguer les traceurs piégés sur les tourbillons de ceux qui n’étaient pas piégés.

Leur recherche a été soutenue par la National Science Foundation et le US Department of Energy. L’expérience a été menée au National High Magnetic Field Laboratory de la Florida State University.

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