Физики объяснили водовороты в сверхтекучей жидкости

Фрагмент моделирования динамики сверхтекучей жидкости. Иллюстрация авторов исследования.

Международной группе физиков удалось построить вычислительную теорию динамических процессов в сверхтекучей жидкости. Статья ученых опубликована в журнале Science, а ее краткое изложение приводится в пресс-релизе Вашингтонского университета, сотрудник которого, Аурель Булга, принимал участие в работе. По словам ученых, новое открытие поможет, например, при изучении нейтронных звезд.

Главным объектом исследования выступала фермионная сверхтекучая жидкость - особое состояние фермионного вещества (фермионы - это класс частиц, к которым относятся кварки, электроны и многие другие) , получаемое при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю. Сверхтекучесть в названии означает, что в таком состоянии жидкость способна, например, протекать через маленькие щели без трения.

В рамках работы исследователям удалось применить теорию функционала плотности (метод расчета структуры систем многих частиц в вычислительной физике) к такой жидкости. Используя суперкомпьютер Jaguar, физики смогли рассчитать разного рода динамические эффекты в сверхтекучей жидкости. Так, например, им удалось установить, что сверхтекучесть в некоторых случаях сохраняется даже когда перемешивание осуществляется со сверхзвуковыми скоростями.

Основным результатом работы, однако, стало описание динамики воронок, возникающих во время вращения жидкости. Так, например, они объяснили, почему при перемешивании сверхтекучей жидкости образует не одна воронка (как, например, при перемешивании чая ложкой), а сразу много, организованных в концентрические окружности воронок. Также они показали, что привычную воронку в центре можно получить, если перемешивать жидкость достаточно быстро. Полученные по результатам моделирования видеоролики доступны тут.

Новые результаты, по словам ученых, будут полезны при изучении квантовой турбулентности (квантовой в названии относится к тому факту, что в существенную роль в процессах играют квантовые эффекты). Объектами, где встречается подобная турбулентность, являются, например, нейтронные звезды - согласно современным представлениям, в центре такой звезды может быть сверхтекучая жидкость.