Superdiffusion of quantized vortices uncovering scaling laws in quantum turbulence
Superdiffusion of quantized vortices uncovering scaling laws in quantum turbulence
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量子化涡旋的超扩散揭示了量子湍流中的标度定律
DOI：
10.1073/pnas.2021957118
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发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Guo, Wei
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Tang, Yuan;Bao, Shiran;Guo, Wei
Kolmogorov的5/3定律等通用标度律是经典流体湍流研究的里程碑式的成就。对于量子流体，如原子玻色-爱因斯坦凝聚、超流氦和超流中子星，湍流也可以存在于演化的量子涡旋线的混沌纠缠中。然而，由于缺乏合适的实验工具来直接探测涡旋缠结运动，到目前为止，对表征量子流体湍流中涡旋的速度相关性和轨迹统计的可能标度律知之甚少，即，量子湍流（QT）。获得这些知识可以大大有利于QT的高级统计模型的开发。在这里，我们报告一个实验，在超流4 He的漩涡纠结装饰固化氘示踪粒子。在实验条件下，这些示踪剂遵循的运动的旋涡，我们观察到一个明显的超扩散的旋涡。我们的分析表明，这种超扩散不是由于莱维飞行，即，长距离跳，已知是负责随机步行者的超扩散。相反，一个以前未知的幂律缩放的涡速度的时间相关性被发现的原因。这一发现可能会激发未来对QT中隐藏标度律的研究。
Generic scaling laws, such as Kolmogorov’s 5/3 law, are milestone achievements of turbulence research in classical fluids. For quantum fluids such as atomic Bose–Einstein condensates, superfluid helium, and superfluid neutron stars, turbulence can also exist in the presence of a chaotic tangle of evolving quantized vortex lines. However, due to the lack of suitable experimental tools to directly probe the vortex-tangle motion, so far little is known about possible scaling laws that characterize the velocity correlations and trajectory statistics of the vortices in quantum-fluid turbulence, i.e., quantum turbulence (QT). Acquiring such knowledge could greatly benefit the development of advanced statistical models of QT. Here we report an experiment where a tangle of vortices in superfluid4He are decorated with solidified deuterium tracer particles. Under experimental conditions where these tracers follow the motion of the vortices, we observed an apparent superdiffusion of the vortices. Our analysis shows that this superdiffusion is not due to Lévy flights, i.e., long-distance hops that are known to be responsible for superdiffusion of random walkers. Instead, a previously unknown power-law scaling of the vortex–velocity temporal correlation is uncovered as the cause. This finding may motivate future research on hidden scaling laws in QT.
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