Квантовая турбулентность возникает в сверхтекучих жидкостях и конденсатах Бозе–Эйнштейна, где вихревые структуры квантуются. В отличие от классических турбулентных течений, здесь основными элементарными объектами являются квантованные вихри с фиксированной циркуляцией. Их динамика и взаимодействие образуют турбулентное состояние. Экспериментальные исследования в этой области требуют применения методов, способных регистрировать движение отдельных вихрей, их пространственное распределение и спектры флуктуаций.
В отличие от классической гидродинамики, где визуализация турбулентных потоков возможна с помощью красителей, частиц-трассеров и лазерной диагностики, в сверхтекучих системах необходимо использовать специальные методы, так как вязкость практически отсутствует, а движение частиц-трассеров может быть неадекватным из-за слабого взаимодействия с сверхтекучей компонентой.
Сверхтекучий гелий-4 представляет собой наиболее изученную систему для наблюдения квантовой турбулентности. Основные методы:
Введение механических возмущений Турбулентность возбуждается колеблющимися объектами — микросферами, решётками, вибрирующими проволоками или пластинами. Движение объекта генерирует каскад квантованных вихрей, которые образуют запутанные структуры.
Тепловое противоточное течение При создании градиента температуры сверхтекучая и нормальная компоненты движутся навстречу друг другу. Возникает состояние турбулентного взаимодействия, которое можно количественно исследовать через коэффициент взаимного трения.
Наблюдение затухания турбулентности После выключения источника возмущения исследуют, как плотность вихрей уменьшается во времени. Этот процесс отражает как рекомбинацию вихрей, так и излучение звуковых волн.
Для регистрации используют как вторичные методы, основанные на измерении давления и теплопроводности, так и прямую визуализацию. Последняя достигается с помощью добавления в гелий наночастиц (например, частиц твердого водорода или деутерия), которые осаждаются на вихревых линиях и делают их видимыми в лазерном свете.
Одним из ключевых прорывов стало создание методов прямой визуализации отдельных вихревых линий. Применение лазерной томографии позволяет наблюдать динамику вихрей в реальном времени. Были зафиксированы такие процессы, как:
Эти наблюдения подтверждают гипотезы о существовании каскадных процессов в квантовой турбулентности, аналогичных каскаду Колмогорова в классической гидродинамике, но с отличием в диссипативных механизмах.
Конденсаты Бозе–Эйнштейна (КБЭ) атомных газов представляют собой уникальные системы для изучения квантовой турбулентности благодаря высокой степени контроля параметров эксперимента. Методы включают:
Оптическое возбуждение и вращение ловушки При вращении магнитной или оптической ловушки формируются решётки квантованных вихрей. При увеличении скорости вращения система становится нестабильной и формируется турбулентное вихревое состояние.
Локальное возмущение лазерным лучом Фокусированный лазер создаёт препятствие, которое генерирует вихри и вихревые пары. Их хаотическая эволюция ведёт к образованию турбулентного состояния.
Временное развитие облака После выключения ловушки конденсат расширяется, и визуализация вихрей становится возможной через интерференционные методы. Это позволяет получать детальную картину вихревых конфигураций.
Исследования показали, что в КБЭ возможна как двумерная турбулентность, связанная с формированием кластеров вихрей одинаковой циркуляции, так и трёхмерная турбулентность, сопровождающаяся каскадом энергии к малым масштабам.
Трассеры и наночастицы Использование наночастиц и молекулярных комплексов позволяет фиксировать траектории в сверхтекучей жидкости и наглядно демонстрировать движение вихрей.
Ионная и баллистическая спектроскопия В сверхтекучем гелии можно использовать заряженные частицы, которые захватываются вихревыми линиями и тем самым регистрируют их конфигурацию.
Спектроскопия второго звука Турбулентность влияет на распространение второго звука, и измерение затухания его амплитуды служит косвенным методом оценки плотности вихрей.
Томография в КБЭ Фотографирование расширяющегося конденсата после выключения ловушки позволяет реконструировать вихревые структуры.
Важнейший аспект — измерение энергетических спектров турбулентности. В ряде экспериментов в сверхтекучем гелии II и КБЭ были зарегистрированы спектры, близкие к колмогоровскому закону E(k) ∼ k−5/3 на инерциальных масштабах. При этом на малых масштабах наблюдается переход к другой динамике, связанной с диссипацией энергии через звуковые излучения и каскады Кельвиновых волн.
Также были получены данные о различии между классическим каскадом и квантовым каскадом: в последнем важную роль играют дискретные вихревые линии, а не непрерывное поле скоростей.
Экспериментальные исследования квантовой турбулентности направлены на решение следующих задач: