[论文解读] The Decay of Pure Quantum Turbulence in Superfluid 3He-B

D. I. Bradley, D. O. Clubb+7 more|ArXiv.org|Jun 5, 2007

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用 8

一句话总结

本研究测量了在超低温度下超流³He-B中纯量子湍流的衰减，此时经典黏性耗散可忽略不计。尽管不存在正常流体或黏性，湍流仍以类似Kolmogorov的能量级联方式衰减，表明耗散由量子环流单位（κ）决定，而非运动黏度，其衰减动力学与高温下超流⁴He中的行为一致。

ABSTRACT

We describe measurements of the decay of pure superfluid turbulence in superfluid 3He-B, in the low temperature regime where the normal fluid density is negligible. We follow the decay of the turbulence generated by a vibrating grid as detected by vibrating wire resonators. Despite the absence of any classical normal fluid dissipation processes, the decay is consistent with turbulence having the classical Kolmogorov energy spectrum and is remarkably similar to that measured in superfluid 4He at relatively high temperatures. Further, our results strongly suggest that the decay is governed by the superfluid circulation quantum rather than kinematic viscosity.

研究动机与目标

• 研究在无正常流体和黏性耗散条件下的纯超流湍流衰减机制。
• 确定纯超流体中的湍流行为是否类似于经典湍流，或遵循量子耗散机制。
• 检验量子环流量子（κ）是否取代经典黏度成为能量耗散的主导因素。
• 探索在无经典耗散路径的系统中，Kolmogorov能量级联的出现机制。
• 比较³He-B与超流⁴He中的衰减动力学，尽管两者具有截然不同的超流机制和温度范围。

提出的方法

• 在温度低于0.3Tc的超流³He-B中，利用振动网格产生湍流，此时正常流体组分可忽略不计。
• 通过对准粒子散射敏感的振动线谐振器监测衰减过程。
• 随时间追踪涡旋纠缠的线密度，以推断能量级联动力学。
• 将数据与经典Kolmogorov衰减模型及基于κ的Vinen量子耗散模型进行对比。
• 利用理论模型排除涡旋扩散或非均匀衰减的贡献。
• 采用理论标度法，使用d = 1.5 mm和κ，将结果与He-II数据进行比较，假设ζ ≈ 0.2。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无经典黏性耗散的情况下，湍流是否仍可衰减？
• RQ2 ³He-B中量子湍流的衰减是否与Kolmogorov能量级联一致？
• RQ3 量子环流单位（κ）是否取代运动黏度成为耗散速率的主导因素？
• RQ4 在无相互摩擦或正常流体的条件下，导致观测到的衰减的微观机制是什么？
• RQ5 在纯超流体中，涡旋纠缠如何发展出Kolmogorov级联所需的尺度范围？

主要发现

• 尽管缺乏黏性耗散，³He-B中超流湍流的衰减与经典Kolmogorov能量级联一致。
• 衰减动力学与高温下⁴He中超流体中观测到的行为高度相似，表明不同超流体间存在普适行为。
• 衰减速率最合理的解释是基于量子耗散机制，由环流量子（κ）主导，而非运动黏度。
• 使用Vinen表达式（ζ ≈ 0.2，d = 1.5 mm）的理论建模能准确预测后期衰减行为，与实验数据高度吻合。
• 在低网格速度下，衰减趋近于t⁻¹，表明可能进入以直接涡旋线损失（L ∝ t⁻¹）为主导的区域，与Vinen的κ基模型一致。
• 由涡旋不均匀性引起的扩散效应可忽略不计，其预测时间尺度约为300秒，远长于观测到的衰减时间。