Štúdium sféricky symetrickej turbulencie v supratekutom He

site:upload/tangle_alpha.png

Vedoucí: RNDr. David Schmoranzer, Ph.D., Mgr. Emil Varga, Ph.D.

Hélium je jediný prvok periodickej tabuľky, ktorý zostáva v tekutom stave aj v limite absolútnej nuly. Pod teplotou približne 2.17 K prechádza do supratekutej fázy označovanej ako He II. He II je jeden z príkladov tzv. kvantových kvapalín – kvapalín, ktorých vlastnosti sú do značnej miery ovplyvnené kvantovo-mechanickými javmi na makroskopických škálach.

Jednou charakteristickou črtou He II je dvojzložková povaha: prúdenie He II sa dá popísať ako tok dvoch nezávislých zložiek – normálnej a supratekutej – ktoré navzájom interagujú len v prítomnosti kvantovaných vírov – atomárne tenkých čiarových porúch v supratekutej zložke.

Zdroj tepla v He II vytvorí antiparalelný tok normálnej a supratekutej zložky, čo má za následok extrémne vysokú tepelnú vodivosť He II (analógia s nulovým odporom supravodičov). Tepelná vodivosť začne klesať v momente, keď takýto tepelný protiprúd začne vytvárať turbulenciu v tvare chaotického klbka kvantovaných vírov.

Bodový zdroj tepla umiestnený v He II vytvorí vo svojom okolí sféricky symetrický tepelný protiprúd, ktorý môže byť turbulentný. Príklad numerickej simulácie sféricky  symetrickej turbulencie je na Obr. 1. Numericky predpovedaná stabilita sféricky symetrickej turbulencie je veľmi nezvyčajná (Obr. 2) – pre dostatočne vysoké rýchlosti sa prúdenie znova stáva laminárnym a pre vysoké teploty turbulencia nenastáva vôbec.

Obr. 1: Turbulencia pri 1.45 K. Červené čiary predstavujú kvantované víry.

Postup riešenia projektu:

  1. Naštudovanie základnej literatúry kvantovej turbulencie.
  2. Výroba experimentálnej cely (dizajn mechanických častí, výroba pomocou 3D tlačiarne) a potrebných senzorov.
  3. Experimentálna charakterizácia fázového diagramu stability kvantovej turbulencie a porovnanie s existujúcimi predpoveďami.
  4. (voliteľne) Programovanie a spracovanie numerických simulácií (vyžaduje základné znalosti programovania a ochotu naučiť sa Python a C).

Obr. 2: Náčrt fázového diagramu laminárneho a turbulentného prúdenia.