[论文解读] Big bang simulation in superfluid 3He-B -- Vortex nucleation in neutron-irradiated superflow

V. M. H. Ruutu, V. B. Eltsov+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 1995

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用 181

一句话总结

该论文表明，通过中子诱发的加热对超流³He-B进行快速淬火，会诱导出随机分布的量子化涡旋网络，其行为类似于对称性自发破缺相变过程中的宇宙学缺陷形成。可探测涡旋的数量与超流速度呈立方关系，且涡旋逃逸的临界速度遵循与基布尔-祖雷克理论一致的普适标度律，验证了实验室中早期宇宙拓扑缺陷形成的类比模型。

ABSTRACT

We report the observation of vortex formation upon the absorption of a thermal neutron in a rotating container of superfluid $^3$He-B. The nuclear reaction n + $^3$He = p + $^3$H + 0.76MeV heats a cigar shaped region of the superfluid into the normal phase. The subsequent cooling of this region back through the superfluid transition results in the nucleation of quantized vortices. Depending on the superflow velocity, sufficiently large vortex rings grow under the influence of the Magnus force and escape into the container volume where they are detected individually with nuclear magnetic resonance. The larger the superflow velocity the smaller the rings which can expand. Thus it is possible to obtain information about the morphology of the initial defect network. We suggest that the nucleation of vortices during the rapid cool-down into the superfluid phase is similar to the formation of defects during cosmological phase transitions in the early universe.

研究动机与目标

• 研究在超流³He-B中快速非平衡相变过程中拓扑缺陷的成核行为，其类比于早期宇宙中对称性自发破缺相变的宇宙学过程。
• 在受控的实验室环境中，利用超流³He-B作为模型体系，检验基布尔-祖雷克机制在缺陷形成中的适用性。
• 测量涡旋成核对超流速度和温度的依赖关系，并提取涡旋逃逸的临界速度阈值。
• 通过探测在超流中受马格努斯力作用而扩展的单个涡旋，研究缺陷网络的初始形态。

提出的方法

• 来自Am-Be源的热中子被超流³He-B吸收，在局部的雪茄形区域内沉积0.76 MeV的能量，使其加热至正常相。
• 加热区域通过准粒子扩散在特征时间τQ ~ 10⁻⁶ s内迅速冷却，从而通过超流相变实现快速淬火。
• 由于基布尔机制，淬火过程生成了随机分布的量子化涡旋网络，其涡旋线密度由相干长度和淬火速率决定。
• 通过旋转容器产生超流，使正常组分与超流组分之间产生相对速度vs，从而稳定并扩展超过临界尺寸的涡旋。
• 超过临界半径r₀(vs)的涡旋环会向外扩展，并被拉向容器中心，通过核磁共振（NMR）技术实现单个检测。
• 测量每个中子事件中检测到的涡旋数量随vs的变化关系，并将数据拟合至基于基布尔-祖雷克理论推导出的普适标度律。

实验结果

研究问题

• RQ1 在快速淬火过程中，超流³He-B中成核的涡旋数量如何依赖于超流速度？
• RQ2 观测到的涡旋成核速率和分布是否与宇宙学缺陷形成中基布尔-祖雷克机制的预测一致？
• RQ3 涡旋开始逃逸并可被探测的临界超流速度vcn是多少？
• RQ4 通过测量涡旋数量对速度的依赖关系，能否探测到涡旋环的初始尺寸分布？
• RQ5 超流³He-B中的涡旋成核过程是否是早期宇宙中拓扑缺陷形成的普适类比？

主要发现

• 每个中子事件中检测到的涡旋数量随超流速度呈立方增长，与理论预测N(vs) ∝ (vs/vcn)³一致。
• 涡旋逃逸的临界速度vcn与(1 − T₀/Tc)¹ᐟ³成正比，其温度依赖关系与不同压力下的测量结果一致。
• 涡旋数量分布遵循标度不变的幂律n(D) ∝ D⁻⁴（D为环直径），且存在下限Dmin ∝ ξ(t)，即随时间演化的相干长度。
• 实验数据可统一归一化为一条普适曲线N(vs/vcn) = (πC/9)[(vs/vcn)³ − 1]，其中C ≈ 0.3，证实了基布尔-祖雷克机制的普适性。
• 测得的临界速度vcn小于无中子加热时的涡旋成核临界速度，且其温度依赖关系也不同。
• 通过探测淬火早期阶段形成的涡旋，可研究初始缺陷网络的形态，更高超流速度下可探测到更小的涡旋环。