양자 난류 이해의 돌파구 날짜: 2023년 3월 16일 원천: 랭커스터 대학교 요약: 연구자들은 양자 난기류에서 에너지가 어떻게 사라지는지를 보여줌으로써 미세한 것부터 행성에 이르는 규모의 난류를 더 잘 이해할 수 있는 길을 열었습니다. 연구팀의 연구 결과는 파동과 같은 움직임이 거시적 길이 스케일에서 미시적 길이 스케일로 에너지를 전달하는 방법에 대한 새로운 이해를 보여주고 있으며, 그 결과 에너지가 작은 스케일에서 어떻게 소산되는지에 대한 이론적 예측을 확인합니다. 미래에는 양자 수준에서 시작되는 난류에 대한 향상된 이해를 통해 물과 공기와 같은 유체 및 가스의 흐름과 거동이 핵심 질문인 영역에서 엔지니어링을 개선할 수 있습니다. 고전적인 유체에서 이를 이해하면 과학자들이 차량의 공기역학을 개선하고 더 나은 정확도로 날씨를 예측하거나 파이프의 물 흐름을 제어하는 것과 같은 일을 하는 데 도움이 될 것입니다.
전체 이야기 연구자들은 양자 난기류에서 에너지가 어떻게 사라지는지를 보여줌으로써 미세한 것부터 행성에 이르는 규모의 난류를 더 잘 이해할 수 있는 길을 열었습니다.
Lancaster University의 Samuli Autti 박사는 Aalto University의 연구원들과 함께 양자 파동 난류에 대한 새로운 연구의 저자 중 한 명입니다.
네이처 피직스(Nature Physics) 에 게재된 이 팀의 연구 결과는 파동과 같은 움직임이 어떻게 거시적 길이 척도에서 미시적 길이 규모로 에너지를 전달하는지에 대한 새로운 이해를 보여주고 있으며, 그 결과는 작은 규모에서 에너지가 어떻게 소산되는지에 대한 이론적 예측을 확인시켜 줍니다 .
Autti 박사는 "이 발견은 대규모 양자 시스템 물리학의 초석이 될 것"이라고 말했습니다.
움직이는 비행기나 선박 주변의 난류와 같은 대규모의 양자 난류는 시뮬레이션하기 어렵습니다. 작은 규모에서 양자 난류는 고전적인 난류와 다릅니다. 왜냐하면 양자 유체의 난류는 와류라고 하는 선과 같은 흐름 중심 주위에 한정되어 있고 특정 양자화된 값만 취할 수 있기 때문입니다.
이 세분성은 양자 난류를 이론에서 포착하기 훨씬 쉽게 만들고 일반적으로 양자 난류를 마스터하면 물리학자들이 고전적 난류도 이해하는 데 도움이 될 것이라고 믿어집니다.
미래에는 양자 수준에서 시작되는 난류에 대한 향상된 이해를 통해 물과 공기와 같은 유체 및 가스의 흐름과 거동이 핵심 질문인 영역에서 엔지니어링을 개선할 수 있습니다.
수석 저자인 알토 대학(Aalto University)의 Jere Mäkinen 박사는 "난류의 기본 구성 요소에 대한 우리의 연구는 난류에서 서로 다른 길이 척도 사이의 상호 작용을 더 잘 이해하는 방법을 제시하는 데 도움이 될 수 있습니다.
"고전적인 유체를 이해하면 차량의 공기역학을 개선하고 날씨를 더 정확하게 예측하거나 파이프의 물 흐름을 제어하는 것과 같은 작업을 수행하는 데 도움이 될 것입니다. 거시적 난류를 이해하기 위한 잠재적인 실제 용도가 엄청나게 많습니다."
Autti 박사는 양자 난류는 과학자들에게 어려운 문제라고 말했습니다.
"실험에서 단일 소용돌이 주변의 양자 난류 형성은 그것을 찾으려고 양자 난류에 대해 연구하는 물리학자들의 전 분야에도 불구하고 수십 년 동안 파악하기 어려웠습니다. 여기에는 원자 Bose-Einstein 응축물과 같은 초유체 및 양자 가스에 대해 연구하는 사람들이 포함됩니다. BEC) 이 프로세스의 배후에 있는 이론화된 메커니즘은 켈빈 파 캐스케이드(Kelvin wave cascade)로 알려져 있습니다.
"현재 원고에서 우리는 이 메커니즘이 존재하고 이론적으로 예상한 대로 작동한다는 것을 보여줍니다. 이 발견은 물리학 또는 대규모 양자 시스템의 초석이 될 것입니다."
수석 과학자인 Vladimir Eltsov가 이끄는 연구팀은 Aalto의 저온 연구소에 있는 고유한 회전식 초저온 냉장고에서 헬륨-3 동위원소의 난류를 연구했습니다. 그들은 미시적 규모에서 소위 켈빈파(Kelvin waves)라고 불리는 것이 에너지를 점점 더 작은 규모로 지속적으로 밀어냄으로써 개별 와류에 작용한다는 것을 발견했습니다.
Aalto University의 Jere Mäkinen 박사는 "초저온에서 양자화된 와류에서 에너지가 어떻게 사라지는가에 대한 질문은 양자 난류 연구에서 매우 중요했습니다. 우리의 실험 설정은 처음으로 켈빈파 전달의 이론적 모델이 소산 길이 척도에 대한 에너지가 실제 세계에서 입증되었습니다."
팀의 다음 과제는 초유체에 잠긴 나노 규모 장치를 사용하여 단일 양자화 소용돌이를 조작하는 것입니다.