量子涡环的运动和衰变：超流氦中量子耗散

今天分享一篇最近发表在《自然通讯》上的论文，它的题目是“利用超流氦中量子化涡环的成像来评估量子耗散”。这篇论文的作者们使用了一种非常巧妙的方法，来观察和测量超流氦中涡环的运动和衰变，从而揭示了量子涡旋和热准粒子之间的相互作用机制。这个问题对于理解各种量子流体系统中的现象，如超流氦的湍流、超导体的耗散、中子星的闪烁等，都有重要的意义。

什么是超流氦和量子化涡环？

首先，让我们回顾一下什么是超流氦和量子化涡环。超流氦是一种在低温下出现的奇特的物质状态，它具有零粘度和无穷大的导热性。这意味着它可以无阻力地流动，并且可以快速地传递热量。超流氦可以被看作是由两种互相混合的流体组成：一种是无粘性的超流体，由玻色子（如氦-4原子）形成；另一种是有粘性的正常流体，由热准粒子（如声子、激发态原子等）形成。

在超流体中，如果我们想要产生一个旋转或者涡旋的运动，我们不能随意地调节其角速度，而只能取一些离散的值。这是因为超流体具有量子化的性质，它遵循玻色-爱因斯坦统计。每个涡旋都携带一个固定的循环流量κ=h/m，其中h是普朗克常数，m是玻色子的质量。这样的涡旋被称为量子化涡旋或者量子化涡线，在三维空间中，它们呈现为密度较低的细管状结构。如果我们把一个量子化涡线弯成一个圆环状，就得到了一个量子化涡环。

要观察和测量超流氦中的量子化涡环并不容易，因为它们通常是不可见且非常微小（直径在微米到毫米级别）的。论文作者们使用了一种巧妙的方法，就是利用固态氘（D2）作为示踪剂来装饰涡环。固态氘是一种在低温下形成的晶体颗粒，它们可以被吸附到涡环上，并随着涡环的运动而移动。通过使用一种特殊的光学显微镜，作者们可以在超流氦中捕捉到涡环的图像，并且可以测量它们的位置、速度和大小等参数。

量子化涡环的运动和衰变受到什么因素的影响？

量子化涡环在超流氦中的运动和衰变受到多种因素的影响，其中最重要的是以下三个：

马格努斯力：这是一个由于涡环和超流体之间的相对运动而产生的力，它垂直于涡环的切线方向和相对速度方向，其大小正比于涡环的长度、循环流量和密度。马格努斯力会使涡环偏离其原来的轨道，并且会使涡环加速或减速，取决于马格努斯力和涡环速度之间的夹角。

自感应力：这是一个由于涡环本身的形状变化而产生的力，它沿着涡环的切线方向，其大小正比于涡环的曲率、循环流量和密度。自感应力会使涡环发生扭曲和振荡，并且会使涡环缩小或扩大，取决于自感应力和涡环半径之间的关系。

互感阻力：这是一个由于涡环和正常流体之间的相互作用而产生的力，它沿着涡环和正常流体之间的相对速度方向，其大小正比于涡环的长度、循环流量、密度和温度。互感阻力会使涡环受到阻碍，并且会使涡环损失能量，从而导致涡环衰变。

如何评估互感阻力？

互感阻力是一个非常复杂且难以理解的物理现象，它涉及到热准粒子在量子化涡核附近发生散射和反射等过程。不同的理论模型对于互感阻力有不同的假设和预测，但是由于缺乏实验数据，很难判断哪一个模型更接近真实情况。论文作者们通过观察和测量超流氦中不同温度下量子化涡环的衰变过程，提供了一些有力的证据，来支持其中一个最新的理论模型。

这个理论模型认为，互感阻力不仅取决于热准粒子在涡核附近发生散射和反射等过程，还取决于正常流体在涡核附近发生扰动和运动等过程。这些过程会导致正常流体在局部区域内产生一个与超流体不同的速度场，从而影响到互感阻力。这个理论模型使用了一个自洽的方法，来计算正常流体在局部区域内的速度场，并且考虑了不同温度下热准粒子散射截面和反射系数等参数。

论文作者们发现，这个理论模型可以很好地拟合实验数据，并且可以解释一些之前难以理解的现象，如为什么在低温下（1.5K以下），量子化涡环衰变得更快。这是因为在低温下，热准粒子散射截面变大，反射系数变小，导致正常流体在涡核附近的速度场更强烈，从而增加了互感阻力。论文作者们还比较了其他几种理论模型 ，发现它们都不能很好地符合实验数据，或者存在着一些不合理或不一致的假设。

意义

这篇论文的结果有重要的意义，因为它为我们提供了一个更准确和更完善的理论模型，来描述超流氦中量子化涡旋的运动和衰变。这个理论模型不仅可以解释超流氦中的一些现象，如湍流、耗散、声发射等，还可以推广到其他的量子流体系统，如原子玻色-爱因斯坦凝聚体、超流中子星、引力映射的全息超流等。这些系统中也存在着类似的量子化涡旋和热准粒子之间的相互作用，因此也需要一个可靠的理论模型来描述它们。这篇论文为我们提供了一个新的视角和工具，来探索量子流体中的奇妙现象。