今天分享一篇最近發(fā)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(huán)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(huán)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(tǒng)中的現(xiàn)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(huán)？

首先，讓我們回顧一下什么是超流氦和量子化渦環(huán)。超流氦是一種在低溫下出現(xiàn)的奇特的物質(zhì)狀態(tài)，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(fā)態(tài)原子等）形成。

在超流體中，如果我們想要產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)或者渦旋的運動，我們不能隨意地調(diào)節(jié)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(zhì)，它遵循玻色-愛因斯坦統(tǒng)計。每個渦旋都攜帶一個固定的循環(huán)流量κ=h/m，其中h是普朗克常數(shù)，m是玻色子的質(zhì)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(xiàn)為密度較低的細管狀結(jié)構。如果我們把一個量子化渦線彎成一個圓環(huán)狀，就得到了一個量子化渦環(huán)。

要觀察和測量超流氦中的量子化渦環(huán)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(tài)氘（D2）作為示蹤劑來裝飾渦環(huán)。固態(tài)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(huán)上，并隨著渦環(huán)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(huán)的圖像，并且可以測量它們的位置、速度和大小等參數(shù)。

量子化渦環(huán)的運動和衰變受到什么因素的影響？

量子化渦環(huán)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(huán)和超流體之間的相對運動而產(chǎn)生的力，它垂直于渦環(huán)的切線方向和相對速度方向，其大小正比于渦環(huán)的長度、循環(huán)流量和密度。馬格努斯力會使渦環(huán)偏離其原來的軌道，并且會使渦環(huán)加速或減速，取決于馬格努斯力和渦環(huán)速度之間的夾角。

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

互感阻力：這是一個由于渦環(huán)和正常流體之間的相互作用而產(chǎn)生的力，它沿著渦環(huán)和正常流體之間的相對速度方向，其大小正比于渦環(huán)的長度、循環(huán)流量、密度和溫度。互感阻力會使渦環(huán)受到阻礙，并且會使渦環(huán)損失能量，從而導致渦環(huán)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(xiàn)象，它涉及到熱準粒子在量子化渦核附近發(fā)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(shù)據(jù)，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(huán)的衰變過程，提供了一些有力的證據(jù)，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(fā)生散射和反射等過程，還取決于正常流體在渦核附近發(fā)生擾動和運動等過程。這些過程會導致正常流體在局部區(qū)域內(nèi)產(chǎn)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(qū)域內(nèi)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(shù)等參數(shù)。

論文作者們發(fā)現(xiàn)，這個理論模型可以很好地擬合實驗數(shù)據(jù)，并且可以解釋一些之前難以理解的現(xiàn)象，如為什么在低溫下（1.5K以下），量子化渦環(huán)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(shù)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(fā)現(xiàn)它們都不能很好地符合實驗數(shù)據(jù)，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(jié)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(xiàn)象，如湍流、耗散、聲發(fā)射等，還可以推廣到其他的量子流體系統(tǒng)，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(tǒng)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(xiàn)象。