Профессор Тольяттинского государственного университета Сергей Талалов разработал математическую модель, описывающую поведение квантового вихревого кольца рядом с твердой стенкой. Расчеты помогли объяснить, при каких условиях вихри возникают в сверхтекучей жидкости, и выявили несколько необычных свойств этих объектов, включая возможность отрицательной эффективной массы.
Модель показала, что в определенных условиях квантовые вихри с высокой вероятностью концентрируются возле поверхности, а не в глубине жидкости. Это согласуется с представлением о существовании квантового пограничного слоя — области у стенки, в которой поведение жидкости отличается от поведения в ее объеме. Ранее предполагалось, что в сверхтекучих жидкостях такого слоя нет. Экспериментальные подтверждения его существования появились в 2017 году.
Ученый также установил, что образование вихрей зависит от скорости потока. При небольших скоростях они не возникают, однако после превышения определенного критического значения становятся возможны устойчивые вихревые состояния.
Один из наиболее необычных результатов расчетов — предсказание отрицательной эффективной массы у вихря. В таком состоянии увеличение импульса может сопровождаться уменьшением энергии. Сам Сергей Талалов сравнивает это с тележкой, которую толкают вперед, а она движется навстречу толкающему. При этом ученый отмечает, что классическая аналогия лишь приблизительно передаёт особенности квантового явления.
Модель также указывает, что некоторые вихревые состояния нестабильны и существуют ограниченное время. Это согласуется с картиной квантовой турбулентности, при которой вихри постоянно появляются и исчезают. Следующий этап исследований — переход от описания одиночного вихря к моделированию их взаимодействия.
«Именно взаимодействие множества вихрей рождает турбулентность, и следующий шаг – построить такую теорию. Если это удастся, появится возможность описывать квантовую турбулентность с самых первых мгновений ее возникновения».
Сергей Талалов, профессор Тольяттинского государственного университета
Для решения этой задачи ученый планирует развивать теоретическую модель и использовать компьютерное моделирование, в том числе методы работы с большими данными. Понимание того, как формируются и взаимодействуют квантовые вихри, поможет точнее описывать возникновение турбулентности на микроуровне. Такие исследования важны для изучения сверхтекучих систем, используемых в научных экспериментах и перспективных разработках.
Работа Сергея Талалова опубликована в журнале Chaos, Solitons and Fractals.
Источник: Минобрнауки
Читайте также:
Ученые повысили эффективность инфракрасных лазеров с помощью гравировки кристаллов
Российский ИИ восстанавливает поврежденный текст старых документов
В Новосибирске разработали приборы вакуумной микроэлектроники для работы в экстремальных условиях