今天分享一篇最近發表在《自然通訊》上的論文，它的題目是“利用超流氦中量子化渦環的成像來評估量子耗散”。這篇論文的作者們使用了一種非常巧妙的方法，來觀察和測量超流氦中渦環的運動和衰變，從而揭示了量子渦旋和熱準粒子之間的相互作用機制。這個問題對于理解各種量子流體系統中的現象，如超流氦的湍流、超導體的耗散、中子星的閃爍等，都有重要的意義。

什么是超流氦和量子化渦環？

首先，讓我們回顧一下什么是超流氦和量子化渦環。超流氦是一種在低溫下出現的奇特的物質狀態，它具有零粘度和無窮大的導熱性。這意味著它可以無阻力地流動，并且可以快速地傳遞熱量。超流氦可以被看作是由兩種互相混合的流體組成：一種是無粘性的超流體，由玻色子（如氦-4原子）形成；另一種是有粘性的正常流體，由熱準粒子（如聲子、激發態原子等）形成。

在超流體中，如果我們想要產生一個旋轉或者渦旋的運動，我們不能隨意地調節其角速度，而只能取一些離散的值。這是因為超流體具有量子化的性質，它遵循玻色-愛因斯坦統計。每個渦旋都攜帶一個固定的循環流量κ=h/m，其中h是普朗克常數，m是玻色子的質量。這樣的渦旋被稱為量子化渦旋或者量子化渦線，在三維空間中，它們呈現為密度較低的細管狀結構。如果我們把一個量子化渦線彎成一個圓環狀，就得到了一個量子化渦環。

要觀察和測量超流氦中的量子化渦環并不容易，因為它們通常是不可見且非常微小（直徑在微米到毫米級別）的。論文作者們使用了一種巧妙的方法，就是利用固態氘（D2）作為示蹤劑來裝飾渦環。固態氘是一種在低溫下形成的晶體顆粒，它們可以被吸附到渦環上，并隨著渦環的運動而移動。通過使用一種特殊的光學顯微鏡，作者們可以在超流氦中捕捉到渦環的圖像，并且可以測量它們的位置、速度和大小等參數。

量子化渦環的運動和衰變受到什么因素的影響？

量子化渦環在超流氦中的運動和衰變受到多種因素的影響，其中最重要的是以下三個：

馬格努斯力：這是一個由于渦環和超流體之間的相對運動而產生的力，它垂直于渦環的切線方向和相對速度方向，其大小正比于渦環的長度、循環流量和密度。馬格努斯力會使渦環偏離其原來的軌道，并且會使渦環加速或減速，取決于馬格努斯力和渦環速度之間的夾角。

自感應力：這是一個由于渦環本身的形狀變化而產生的力，它沿著渦環的切線方向，其大小正比于渦環的曲率、循環流量和密度。自感應力會使渦環發生扭曲和振蕩，并且會使渦環縮小或擴大，取決于自感應力和渦環半徑之間的關系。

互感阻力：這是一個由于渦環和正常流體之間的相互作用而產生的力，它沿著渦環和正常流體之間的相對速度方向，其大小正比于渦環的長度、循環流量、密度和溫度?；ジ凶枇箿u環受到阻礙，并且會使渦環損失能量，從而導致渦環衰變。

如何評估互感阻力？

互感阻力是一個非常復雜且難以理解的物理現象，它涉及到熱準粒子在量子化渦核附近發生散射和反射等過程。不同的理論模型對于互感阻力有不同的假設和預測，但是由于缺乏實驗數據，很難判斷哪一個模型更接近真實情況。論文作者們通過觀察和測量超流氦中不同溫度下量子化渦環的衰變過程，提供了一些有力的證據，來支持其中一個最新的理論模型。(www.Ws46.com)

這個理論模型認為，互感阻力不僅取決于熱準粒子在渦核附近發生散射和反射等過程，還取決于正常流體在渦核附近發生擾動和運動等過程。這些過程會導致正常流體在局部區域內產生一個與超流體不同的速度場，從而影響到互感阻力。這個理論模型使用了一個自洽的方法，來計算正常流體在局部區域內的速度場，并且考慮了不同溫度下熱準粒子散射截面和反射系數等參數。

論文作者們發現，這個理論模型可以很好地擬合實驗數據，并且可以解釋一些之前難以理解的現象，如為什么在低溫下（1.5K以下），量子化渦環衰變得更快。這是因為在低溫下，熱準粒子散射截面變大，反射系數變小，導致正常流體在渦核附近的速度場更強烈，從而增加了互感阻力。論文作者們還比較了其他幾種理論模型 ，發現它們都不能很好地符合實驗數據，或者存在著一些不合理或不一致的假設。

意義

這篇論文的結果有重要的意義，因為它為我們提供了一個更準確和更完善的理論模型，來描述超流氦中量子化渦旋的運動和衰變。這個理論模型不僅可以解釋超流氦中的一些現象，如湍流、耗散、聲發射等，還可以推廣到其他的量子流體系統，如原子玻色-愛因斯坦凝聚體、超流中子星、引力映射的全息超流等。這些系統中也存在著類似的量子化渦旋和熱準粒子之間的相互作用，因此也需要一個可靠的理論模型來描述它們。這篇論文為我們提供了一個新的視角和工具，來探索量子流體中的奇妙現象。