Физик из ТГУ предсказал необычные свойства квантовых вихрей

Профессор Тольяттинского государственного университета Сергей Талалов представил математическую модель поведения квантового вихревого кольца вблизи твёрдой стенки. Работа продолжает цикл его исследований по квантовым вихрям и квантовой турбулентности и приближает к пониманию того, как возникает турбулентность и сверхтекучесть на микроуровне.

Доктор физико-математических наук, профессор Сергей Талалов из института цифровых технологий ТГУ разработал модель, которая показала, что в определённых ситуациях квантовые вихри с высокой вероятностью концентрируются у поверхности, а не в глубине жидкости. Это означает, что квантовый пограничный слой действительно существует. Раньше считалось, что в сверхтекучих жидкостях такого слоя нет, и его существование требовало. теоретического обоснования. Экспериментальное подтверждение существования пограничного слоя в сверхтекучей жидкости появилось, по меркам теоретической физики, совсем недавно (журнал Physical Review Letters, 2017).

Кроме того, учёный установил, что вихри в рассмотренной квантовой системе возникают не при любых условиях: их появление напрямую зависит от скорости набегающего потока. Пока жидкость течёт медленно, вихрей нет, но как только скорость превышает некоторое критическое значение, становятся возможными устойчивые вихревые состояния.

Одним из самых неожиданных выводов работы профессора стало предсказание существования у вихря отрицательной эффективной массы. Это означает, что в определённых квантовых состояниях при увеличении импульса энергия будет не увеличиваться, а уменьшаться.

– Если апеллировать к классическим аналогиям (которых, здесь, по большому счёту, нет), это похоже на ситуацию, когда вы толкаете тележку, а она катится вам навстречу, – поясняет Сергей Талалов.

Модель также предсказывает, что некоторые рассмотренные квантовые состояния вихря нестабильны и имеют конечное время жизни. Это соответствует реальной картине турбулентности, где вихри постоянно рождаются и исчезают.

– Сейчас главная задача – перейти от описания одиночного вихря к моделированию их ансамбля. Именно взаимодействие множества вихрей рождает турбулентность, и следующий шаг – построить такую теорию. Если это удастся, появится возможность описывать квантовую турбулентность с самых первых мгновений её возникновения. Начало этой работе уже положено, первые результаты опубликованы мной в 2023 году (журналы Physics of Fluids, Physical Review Fluids) и в 2026 г (январь, журнал Chaos, Solitons and Fractals). В целом, это задача на длительный период. Предполагаю, что кроме новых идей, здесь потребуется компьютерное моделирование с привлечением методов работы с большими данными, – подчёркивает Сергей Талалов.

Работа профессора из ТГУ важна не только сама по себе. Квантовая турбулентность – это хаос вихрей в сверхтекучих жидкостях, например, в жидком гелии. Пока никто не может точно описать, как из беспорядка рождается упорядоченное течение или наоборот.

Понимание того, как ведёт себя множество вихрей с самого начала их возникновения, позволит описать природу турбулентности на фундаментальном уровне. А это, в свою очередь, важно для сверхтекучих систем, которые уже применяются в научных экспериментах и перспективных разработках.

Исследование опубликовано в печатном номере престижного научного журнала Chaos, Solitons and Fractals.