Une étude valide un modèle bidirectionnel auto-cohérent décrivant le mouvement des anneaux de vortex

Des chercheurs du FAMU-FSU College of Engineering, dirigés par le professeur Wei Guo, ont franchi une étape révolutionnaire dans l’étude de la façon dont les tourbillons se déplacent dans ces fluides quantiques. Leur étude du mouvement des anneaux vortex dans l’hélium superfluide, publiée dans Communication Naturefournit des preuves cruciales à l’appui d’un modèle théorique récemment développé de tourbillons quantifiés.

“Nos découvertes résolvent des questions de longue date et améliorent notre compréhension de la dynamique des vortex dans le superfluide”, a déclaré Guo.

Une caractéristique clé des superfluides est la présence de tourbillons quantifiés – des tubes minces et creux ressemblant à des tornades miniatures. Ceux-ci jouent un rôle important dans des phénomènes tels que la turbulence dans l’hélium superfluide et les perturbations dans la rotation des étoiles à neutrons. Cependant, prédire avec précision le mouvement des tourbillons s’est avéré difficile.

Pour résoudre ce problème, l’équipe de recherche a utilisé des particules de traceur de deutérium solidifiées qui ont été capturées à l’intérieur des anneaux de vortex. En les éclairant avec un laser d’imagerie en forme de feuille, l’équipe a capturé des images précises et quantifié leur mouvement.

Les chercheurs ont également effectué des simulations à l’aide de divers modèles théoriques et ont démontré que seul le modèle bidirectionnel auto-cohérent récemment proposé, ou modèle S2W, reproduit avec précision le mouvement observé de l’anneau vortex. Selon le modèle S2W, l’anneau devrait rétrécir lorsqu’il interagit avec l’environnement thermique, bien qu’à un rythme plus lent que prévu par les théories antérieures.

“C’est exactement ce que nous avons vu”, a déclaré Yuan Tang, chercheur postdoctoral au National High Magnetic Field Laboratory de l’Université d’État de Floride. “Cette recherche fournit la première preuve expérimentale soutenant le modèle S2W.”

L’importance de cette percée s’étend au-delà de l’hélium superfluide. Le modèle S2W validé est prometteur pour des applications dans d’autres systèmes de fluides quantiques, tels que les condensats atomiques de Bose-Einstein et les étoiles à neutrons superfluides.

“Nous sommes enthousiasmés par les possibilités qu’offre le modèle S2W pour les études futures”, a déclaré Guo. “Maintenant que nous avons confirmé sa validité pour l’hélium superfluide, nous visons à appliquer ce modèle à d’autres systèmes de fluide quantique et à explorer de nouveaux défis scientifiques.”

La collaboration de recherche comprenait les co-auteurs Hiromichi Kobayashi de l’Université Keio, Makoto Tsubota et Satoshi Yui de l’Université métropolitaine d’Osaka et l’étudiant diplômé de la FSU Toshiaki Kanai.

Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation, la Gordon and Betty Moore Foundation et la Japan Society for the Promotion of Science.