나노기술 및 정책 정보

• 목록

노벨 물리학상 수상자 Richard Feynman은 난류를 "고전 물리학의 가장 중요한 미해결 문제"로 묘사 한 적이 있음. 물과 공기와 같은 고전적인 유체의 난류를 이해하는 것은 부분적으로 그러한 유체 내에서 소용돌이치는 와류를 식별하는 데 어려움이 있기 때문에 어려움. 소용돌이 튜브를 찾고 그 움직임을 추적하면 난류 모델링을 크게 단순화할 수 있음.

그러나 그 도전은 양자 역학이 ​​그들의 행동을 지배할 만큼 충분히 낮은 온도에서 존재하는 양자 유체에서 더 쉬움.

미국 플로리다 주립 대학의 연구진음 양자 유체에서 소용돌이 튜브를 시각화하여 양자 유체와 그 너머의 난류에 관해 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있는 결과를 얻음.

이러한 연구는 일반적으로 난류에 대한 이해를 넓힐 뿐만 아니라 초전도체, 심지어 중성자별과 같은 소용돌이 관을 포함하는 다양한 물리적 시스템의 연구에 도움이 될 수 있기 때문에 중요함.

연구진은 극도로 낮은 온도에서 존재하고 명백한 마찰 없이 좁은 공간 아래로 영원히 흐를 수 있는 양자 유체인 초유체 헬륨 –4를 연구함.

연구진은 소용돌이에 갇힌 추적자 입자를 조사하고 소용돌이 튜브가 나타날 때 무작위 패턴으로 이동하고 평균적으로 시작점에서 빠르게 멀어지는 것을 처음으로 관찰함. 이러한 갇힌 추적자의 변위는 일반 분자 확산(초 확산이라고 알려진 과정)에서보다 훨씬 빠르게 증가하는 것으로 나타남.

무슨 일이 일어났는지 분석하면서 그들은 시간에 따라 소용돌이 속도가 어떻게 변했는지 밝혀냈는데, 이는 양자 유체 난류의 통계적 모델링에 중요한 정보임.

데이터를 분석한 후 연구진은 실험에서 추적자의 초 확산이 실제로 Lévy 비행으로 인한 것이 아니라는 결론을 내림. 모든 와류 세그먼트의 움직임은 처음에는 무작위로 보였지만 실제로 한 번에 세그먼트의 속도는 다음 시간 인스턴스의 속도와 양의 상관 관계가 있었음. 이 관찰을 통해 연구진은 여러 가지 물리학 분야에서 유용할 수 있는 혼란스러운 무작위 소용돌이 엉킴의 숨겨진 일반적인 통계적 특성을 발견 할 수 있었음.

기존 유체와 달리 초유체 헬륨 -4의 소용돌이 튜브는 안정적이고 잘 정의된 물체임.

그들은 본질적으로 혼란스러운 폭풍 속에서 소용돌이치는 작은 토네이도이지만 극도로 얇은 속이 빈 코어를 가지고 있다고 연구진은 설명하며, 가장 강력한 현미경으로도 육안으로는 볼 수 없다고 함.

이 문제를 해결하기 위해 연구진은 극저온 실험실에서 실험을 수행함. 여기에서 추적자 입자를 헬륨에 추가하여 시각화함.

연구진은 중수소 가스와 헬륨 가스의 혼합물을 차가운 초유체 헬륨에 주입함. 주입하자마자 중수소 가스는 응고되어 작은 얼음 입자를 형성했으며, 연구진은 이를 유체의 추적자로 사용함.

이 시각화 기술은 새로운 것이 아니며 전 세계 연구 실험실의 과학자들이 사용했지만, 이번에 연구진이 만든 획기적인 기술은 소용돌이에 갇힌 추적자를 갇히지 않은 추적자와 구별할 수 있는 새로운 알고리즘을 개발하는 것이었음.

본 연구 성과는 Proceedings of the National Academy of Sciences ("Superdiffusion of quantized vortices uncovering scaling laws in quantum turbulence")에 게재됨