Studium kvantové turbulence pomocí tlumení druhého zvuku

Studujeme turbulenci v proudění supratekutého 4He trubicí, což je častým předmětem výzkumu i v turbulenci klasické. Chtěli bychom porozumět vzniku turbulentního proudění, vlastnostem ustálené turbulence i průběhu jejího rozpadu po vypnutí buzení proudu.

Uvažujeme proudění v rovné trubici bez překážek, dále v trubici s mřížkou, a konečně v trubici s konci opatřenými "supratekutými děrami", tedy filtry navrženými tak, aby umožnily průtok pouze supratekuté složky. Tyto typy proudění zkoumáme na stejném, adaptabilním modulu kanálu, kterým je mosazný díl délky 115 mm, s vnitřním čtvercovým průřezem.

Tok hélia je zajištěn vlnovcem umístěným v héliové lázni, který je poháněný přesným motorem řízeným počítačem, který umožňuje dosáhnout rychlosti proudu až 1 m/s. Soustava vlnovec/kanál je plně ponořena do čerpané lázně supratekutého helia. Teplota helia se mění od T = 1.2 do 2.16 K, čímž je možné měnit podíl supratekuté a normální složky tak, že se efektivně přechází od limity klasické viskózní kapaliny až téměř k limitě nulové viskozity.

Fyzikální stránku kvantové turbulence studujeme zejména měřením celkové délky kvantovaných vírů vztažené na jednotkový objem v závislosti na rychlosti toku a teplotě. Tuto hustotu kvantovaných vírů lze nepřímo určit pomocí měření tlumení druhého zvuku šířícího se turbulentním héliem.

Druhý zvuk je vlna teploty, která se v supratekutém héliu může šířit díky nezavislému pohybu normální a supratekuté složky, čehož v našem experimentu dosahujeme periodickými vibracemi tenké membrány s mikrometrickými póry. Na kHz frekvencích normální složka nemůže proudit skrz póry a proto osciluje; supratekutá složka naopak není s membánou svázána a pohybuje se nezávisle směrem k oblastem s nižší hustotou normální složky tak, aby byla zachována konstatní celková hustota helia. Oblasti s vyšším podílem normální složky odpovídají vyšší teplotě, a naopak.

Dvojice těchto membránových vysílačů umístěných na stěnách ve středu délky kanálu vytváří stojatou vlnu, která rezonuje napříč kanálem kolmo ke směru proudění. Pokud jsou přítomny v heliu kvantované víry, tepelné excitace v normální kapalině se na nich rozptylují, což vede ke změně rezonance oproti klidovému stavu helia. Příklad tlumení rezonance druhého zvuku v proudění se střední rychlostí postupně rostoucí až do 6 cm/s je zakreslen v grafu. Za určitých předpokladů lze využít tvar rezonančí křivky k určení hustoty kvantovaných vírů.

Ve stejném kanále studujeme dva druhy proudění, kdy jsou normální a supratekutá složka buďto přirozeným způsobem svázány ke společnému pohybu, nebo kdy jsou konstrukčně nuceny ke vzájemnému pohybu s různými rychlostmi. Toto nám umožňuje studovat další mechanismy kvantové turbulence a vlastnosti síly vnitřního tření, která obě složky váže.

V nové detailní studii ustálené turbulence vzniklé za protékanou mřížkou a jejího rozpadu jsme také prozkoumali koncept tzv. "efektivní kinematické viskozity", což je charakteristika supratekutého hélia často užívaná v odborné literatuře.

V těchto projektech spolupracujeme s profesorem Vinenem (University of Birningham, Velká Británie), který se zabývá fenomenologickým modelováním rozpadu turbulence, a s Dr. Philippem Rochem (Institute Néel, Grenoble, Francie) a Dr. Levequem (ENS, Lyon, Francie) za účelem numeirckých simulací ustálené turbulence supratekutého hélia.