اخبار کوانتومی – دانشمندان برای اولین بار امواج کلوین را کنترل می کنند.
عنوان خبر: دانشمندان برای اولین بار امواج کلوین را کنترل می کنند.
ژانر/موضوع: فیزیک کوانتومی
تاریخ انتشار خبر: 31 ژانویه 2025
لینک خبر: phys.org
چکیده:
در یک مطالعه، محققان با موفقیت روش کنترل شده ای را برای برانگیختن و مشاهده امواج کلوین در ابر سیال هلیوم-4 توسعه دادند. امواج کلوین که اولین بار توسط لرد کلوین در سال 1880 توصیف شدند، اعوجاج های مارپیچی در امتداد خطوط گردابی هستند – ساختارهای نازک و گردباد مانندی که چرخش سیال کوانتیزه را هدایت می کنند. این امواج نقش مهمی در اتلاف انرژی در سیستم‌های کوانتومی ایفا می‌کنند، اما مطالعه تجربی آنها دشوار بوده است. این تیم از نانوذرات سیلیکونی که در هلیوم ابر سیال در دمای 1.4 کلوین به دام افتاده بودند استفاده کردند. اعمال یک میدان الکتریکی متغیر با زمان باعث نوسانات اجباری شد و امواج مارپیچ مرئی را ایجاد کرد. بازسازی تصویر سه بعدی ساختار مارپیچ و چرخش به سمت چپ امواج را تایید کرد و اولین مشاهده تجربی بود. این پیشرفت مسیرهای جدیدی را برای کاوش دینامیک سیالات کوانتومی و مکانیسم های اتلاف انرژی باز می کند.
شرح کامل خبر:
در مطالعه‌ای پیشگام که اخیراً در مجله Nature Physics منتشر شده است، محققان موفق به توسعه روشی کنترل‌شده برای تحریک و مشاهده امواج کلوین در هلیوم-۴ ابرسیال شده‌اند. امواج کلوین که نخستین بار توسط لرد کلوین در سال ۱۸۸۰ توصیف شدند، امواج مارپیچی (Helical) هستند که در امتداد خطوط گردابی (Vortex Lines) حرکت می‌کنند و نقش کلیدی در فرآیند انتقال و اتلاف انرژی در سیستم‌های کوانتومی دارند.
ابرسیالات موادی هستند که در دماهای بسیار پایین، ویژگی‌های کوانتومی را در مقیاس ماکروسکوپی نشان می‌دهند. در این حالت، سیال بدون هیچ اصطکاکی جریان می‌یابد و انرژی را از دست نمی‌دهد. هلیوم-۴، رایج‌ترین نمونه ابرسیال، زمانی که به دمایی پایین‌تر از ۲.۱۷ کلوین برسد، این رفتار را نشان می‌دهد.
در این تحقیق، تیم به رهبری پروفسور یوسوکه می‌نُوآ از دانشگاه کیوتو، با استفاده از ذرات نانو سیلیکون که در هلیوم-۴ ابرسیال معلق بودند، موفق شدند امواج کلوین را به طور کنترل‌شده تحریک کنند. آنها یک میدان الکتریکی متغیر را به ذرات نانو اعمال کردند که باعث نوسانات اجباری و ایجاد امواج مارپیچی در امتداد خطوط گردابی شد. این خطوط گردابی مشابه گردبادهای بسیار ریزی هستند که چرخش کوانتومی سیال را هدایت می‌کنند.
یکی از چالش‌های اصلی این تحقیق، اثبات این بود که نوسانات مشاهده‌شده واقعاً امواج کلوین هستند. محققان با بازسازی سه‌بعدی تصاویر و تحلیل رفتار دینامیکی این امواج، توانستند ماهیت مارپیچی و جهت چرخش (Handedness) آنها را تایید کنند. جالب اینکه برای اولین بار در آزمایشات تجربی، ساختار مارپیچی چپ‌گرد این امواج به طور مستقیم مشاهده شد.
توسعه این روش جدید، راه را برای بررسی عمیق‌تر ویژگی‌های مکانیکی و فرآیندهای اتلاف انرژی در سیالات کوانتومی هموار می‌کند. همچنین می‌تواند درک ما را از دینامیک سیستم‌های کوانتومی پیچیده‌تر، از جمله ابررساناها و چگالش‌های بوز-اینشتین، ارتقا دهد.
منابع:
[1] https://phys.org/news/2025-01-superfluid-spirals-scientists-kelvin.html
[2] https://www.nature.com/articles/s41567-024-02720-9
دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.
