RSS-ленты
РусскийEnglish
Выпуск 4, 2024
Том год страница
Выпуски Авторы PACS Подписчикам Для авторов

Выпуски

 / 

2023

 / 

Январь

←  →

Обзоры актуальных проблем


Квантовая турбулентность в сверхтекучем гелии

† 
Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН, ул. Академика Осипьяна 2, Черноголовка, Московская обл., 142432, Российская Федерация

Гелий, свертекучий гелий, при давлениях ниже 25 атм остаётся жидким при температурах вплоть до абсолютного нуля, когда количество возбуждений в среде и концентрация нормальной компоненты становятся пренебрежимо малыми, что позволяет использовать сверхтекучий гелий при низких температурах как модельную среду для изучения формирования и распада турбулентной системы. Описание и моделирование поведения вихрей в сверхтекучем гелии при температурах ниже 0,1~К, при которых существованием нормальной компоненты можно пренебречь, значительно упрощаются ввиду квантования течения сверхтекучей компоненты, и все гидродинамические свойства гелия, связанные с его вращательным движением, определяются квантовыми вихрями. Рассматриваются экспериментальные методы возбуждения и детектирования квантовой турбулентности, представленнные в работах последних лет, обсуждаются особенности генерации вихрей различными методами при разных температурах сверхтекучей жидкости, динамика изменения концентрации вихрей при генерации и распаде вихревой системы, различное поведение квантовых вихрей при турбулентности Колмогорова и Вайнена.

Текст: pdf (Полный текст предоставляется по подписке)
English fulltext is available at DOI: 10.3367/UFNe.2021.11.039096
Ключевые слова: сверхтекучесть, квантовые вихри, турбулентность, гелий-4
PACS: 07.20.Mc, 47.27.Cn, 47.32.C−, 67.25.dg, 67.25.dk (все)
DOI: 10.3367/UFNr.2021.11.039096
URL: https://ufn.ru/ru/articles/2023/1/d/
001112589600003
2-s2.0-85182871626
2023PhyU...66...59E
Цитата: Ефимов В Б "Квантовая турбулентность в сверхтекучем гелии" УФН 193 63–95 (2023)
BibTexBibNote ® (generic)BibNote ® (RIS)MedlineRefWorks

Поступила: 2 июля 2021, доработана: 17 октября 2021, 4 ноября 2021

English citation: Efimov V B “Quantum turbulence in superfluid helium” Phys. Usp. 66 59–89 (2023); DOI: 10.3367/UFNe.2021.11.039096

Список литературы (193) ↓ Похожие статьи (20)

  1. Ефимов В Б УФН 188 1025 (2018); Efimov V B Phys. Usp. 61 929 (2018)
  2. Donnelly R J, Swanson C E J. Fluid Mech. 173 387 (1986)
  3. Niemetz M, Kerscher H, Schoepe W Quantized Vortex Dynamics and Superfluid Turbulence (Eds C F Barenghi, R J Donnelly, W F Vinen) (Berlin: Springer, 2001) p. 87
  4. Tsubota M (Ed.) Quantum Turbulence (Progress in Low Temperature Physics) Vol. 16 (Amsterdam: Elsevier Science, 2008)
  5. Vinen W F, Niemela J J J. Low Temp. Phys. 128 167 (2002)
  6. Skrbek L J. Phys. Conf. Ser. 318 012004 (2011)
  7. Barenghi C F, Skrbek L, Sreenivasan K R Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111 (Suppl. 1) 4647 (2014)
  8. Donnelly R J Quantized Vortices in Helium II (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1991)
  9. Кондаурова Л П, Андрющенко В А Физика низких температур 47 804 (2021); Kondaurova L P, Andryushchenko V A Low Temp. Phys. 47 740 (2021)
  10. Капица П Л ДАН СССР 18 (1) 21 (1938)
  11. Лифшиц Е М УФН 34 512 (1948)
  12. Ландау Л Д ЖЭТФ 11 592 (1941)
  13. Ландау Л Д ЖЭТФ 14 112 (1944)
  14. Craig P P, Pellam J R Phys. Rev. 108 1109 (1957)
  15. Allen J F, Misener A D Proc. R. Soc. A 172 467 (1939)
  16. Atkins K R Adv. Phys. 1 169 (1952)
  17. Nemirovskii S K Phys. Rep. 524 85 (2013)
  18. Barenghi C F, Donnelly R J, Vinen W F J. Low Temp. Phys. 52 189 (1983)
  19. Finne A P et al Rep. Prog. Phys. 69 3157 (2006)
  20. Vinen W F Proc. R. Soc. A 260 218 (1961)
  21. Whitmore S C, Zimmermann W Phys. Rev. Lett. 15 389 (1965)
  22. Rayfield G W, Reif F Phys. Rev. 136 A1194 (1964)
  23. Gamota G J. Phys. Colloq. 31 C3-39 (1970)
  24. Barenghi C F et al Phys. Fluids 9 2631 (1997)
  25. Koplik J, Levine H Phys. Rev. Lett. 71 1375 (1993)
  26. Vinen W F, Skrbeck L Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111 (Suppl. 1) 4699 (2014)
  27. Zurek W H Nature 317 505 (1985)
  28. Copeland E J, Kibble T W B, Steer D A Phys. Rev. D 58 043508 (1998)
  29. Kibble W B J. Phys. A 9 1387 (1976)
  30. Efimov V B et al Phys. Rev. E 74 056305 (2006)
  31. Tilley D R, Tilley J Superfluidity and Superconductivity (New York: Wiley, 1974); Пер. на русск. яз., Тилли Д Р, Тилли Дж Сверхтекучесть и сверхпроводимость (М.: Мир, 1977)
  32. Ткаченко В К ЖЭТФ 49 1875 (1965); Tkachenko V K Sov. Phys. JETP 22 1282 (1966)
  33. Ткаченко В К ЖЭТФ 50 1573 (1966); Tkachenko V K Sov. Phys. JETP 23 1049 (1966)
  34. Ткаченко В К ЖЭТФ 56 1763 (1969); Tkachenko V K Sov. Phys. JETP 29 945 (1969)
  35. Цакадзе С Дж ФНТ 4 (2) 148 (1978)
  36. Gordon M J V, Williams G A, Packard R E J. Phys. Colloq. 39 C6-17 (1978)
  37. Yarmchuk E J, Gordon M J V, Packard R E Phys. Rev. Lett. 43 214 (1979)
  38. Walmsley P M et al Phys. Rev. Lett. 99 265302 (2007)
  39. Tsubota M et al Phys. Rev. B 69 134515 (2004)
  40. Smith M R et al Phys. Rev. Lett. 71 2583 (1993)
  41. Stalp S R, Skrbek L, Donnelly R J Phys. Rev. Lett. 82 4831 (1999)
  42. Skrbek L, Niemela J J, Donnelly R J Phys. Rev. Lett. 85 2973 (2000)
  43. Maurer J, Tabeling P Europhys. Lett. 43 29 (1998)
  44. Volovik G E Письма в ЖЭТФ 78 1021 (2003); Volovik G E JETP Lett. 78 533 (2003)
  45. Hall H E Liquid Helium, Proc. of the Intern. School of Physics " Enrico Fermi ", Course XXI (Ed. G Carreri) (New York: Academic Press, 1963)
  46. Sonin E B Rev. Mod. Phys. 59 87 (1987)
  47. Volovik G E J. Low Temp. Phys. 136 309 (2004); Volovik G E cond-mat/0402035
  48. Skrbek L Письма в ЖЭТФ 80 541 (2003); Skrbek L JETP Lett. 80 474 (2004)
  49. Baehr M L, Opatowsky L B, Tough J T Phys. Rev. Lett. 51 2295 (1983)
  50. Ladner D R, Childers R K, Tough J T Phys. Rev. B 13 2918 (1976)
  51. Chase C E Phys. Rev. 127 361 (1962)
  52. Salort J et al J. Phys. Conf. Ser. 318 042014 (2011)
  53. Donnelly R J, Barenghi C F J. Phys. Chem. Ref. Data 27 1217 (1998)
  54. Baggaley A W et al Phys. Rev. B 86 104501 (2012)
  55. Walmsley P M, Golov A I Phys. Rev. Lett. 100 245301 (2008)
  56. Skrbek L, Sreenivasan K R Ten Chapters in Turbulence (Eds P A Davidson, Y Kaneda, K R Sreenivasan) (New York: Cambridge Univ. Press, 2013)
  57. Vinen W F Proc. R. Soc. Lond. A 240 114 (1957)
  58. Baggaley A W, Barenghi C F, Sergeev Y A Phys. Rev. B 85 060501 (2012)
  59. Finne A P et al Nature 424 1022 (2003)
  60. Vinen W F Proc. R. Soc. Lond. A 240 128 (1957)
  61. Vinen W F Proc. R. Soc. Lond. A 242 493 (1957)
  62. Vinen W F Proc. R. Soc. Lond. A 243 400 (1958)
  63. Hall H E, Vinen W F Proc. R. Soc. Lond. A 238 215 (1956)
  64. Монин А С, Яглом А М Статистическая гидромеханика Т. 2 (М.: Наука, 1967); Пер. на англ. яз., Monin A S, Yaglom A M Statistical Fluid Dynamics; Mechanics of Turbulence Vol. 2 (Cambridge, MA: MIT Press, 1975)
  65. Garg D et al Phys. Rev. B 85 144518 (2012)
  66. Donnelly R J Phys. Today 62 (10) 34 (2009)
  67. Efimov V B et al J. Low Temp. Phys. 156 95 (2009)
  68. Ganshin A N et al New J. Phys. 12 083047 (2010)
  69. Snyder H A, Putney Z Phys. Rev. 150 110 (1966)
  70. Mathieu P, Placais B, Simon Y Phys. Rev. B 29 2489 (1984)
  71. Giltrow M et al Meas. Sci. Technol. 14 N69 (2003)
  72. Varga E et al J. Low Temp. Phys. 197 (3/4) 130 (2019)
  73. Jackson M J J. Low Temp. Phys. 183 208 (2016)
  74. Ferrell R A Phys. Rev. 108 167 (1957)
  75. Atkins K R Phys. Rev. 116 1339 (1959)
  76. Marakov A et al Phys. Rev. B 91 094503 (2015)
  77. Gao J et al Письма в ЖЭТФ 103 732 (2016); Gao J et al JETP Lett. 103 648 (2016)
  78. Chase C E Phys. Rev. 131 1898 (1963)
  79. Arp V Cryogenics 10 96 (1970)
  80. Gorter C J, Mellink J H Physica 15 285 (1949)
  81. Schwarz K W Phys. Rev. B 18 245 (1978)
  82. Van Sciver S W Cryogenics 18 521 (1978)
  83. Brewer D F, Edwards D O Philos. Mag. 7 721 (1962)
  84. Изнанкин А Ю, Межов-Деглин Л П ЖЭТФ 103 732 (2016); Iznankin A Yu, Mezhov-Deglin L P Sov. Phys. JETP 84 1378 (1983)
  85. Efimov V B et al Физика низких температур 24 116 (1998); Efimov V B et al Low Temp. Phys. 24 81 (1998)
  86. Nemirovskii S K, Tsoi A N Cryogenics 29 985 (1989)
  87. Hall H E Adv. Phys. 9 89 (1960)
  88. Kondaurova L, Efimov V, Tsoi A J. Low Temp. Phys. 187 80 (2017)
  89. Цой А Н, Луцет М О Инженерно-физический журн. 51 (1) 5 (1985); Tsoi A N, Lutset M O J. Eng. Phys. 51 749 (1986)
  90. Пешков В П, Ткаченко В К ЖЭТФ 41 1427 (1961); Peshkov V P, Tkachenko V K Sov. Phys. JETP 14 1019 (1962)
  91. Awschalom D D, Milliken F P, Schwarz K W Phys. Rev. Lett. 53 1372 (1984)
  92. Tough J T Progress in Low Temperature Physics Vol. 8 (Ed. D F Brewer) (Amsterdam: North-Holland, 1982) p. 133
  93. Brewer D F, Edwards D O Philos. Mag. 6 1173 (1961)
  94. Adachi H, Fyjiyama S, Tsubota M Phys. Rev. B 81 104511 (2010)
  95. Melotte D J, Barenghi C F Phys. Rev. Lett. 80 4181 (1998)
  96. Chagovets T V, Skrbek L Phys. Rev. Lett. 100 215302 (2008)
  97. Skrbek L, Vinen W F Quantum Turbulence (Progress in Low Temperature Physics) Vol. 16 (Eds M Tsubota, W P Halperin) (Amsterdam: Elsevier, 2009) p. 195
  98. Vinen W F, Skrbek L Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111 (Suppl. 1) 4699 (2014)
  99. Tatsuno M, Bearman P J. Fluid Mech. 211 157 (1990)
  100. Uzunoǧlu B, Tan M, Price W G Int. J. Numer. Meth. Eng. 50 2317 (2001)
  101. Batchelor G K An Introduction to Fluid Dynamics (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1967)
  102. Smith M R et al Phys. Rev. Lett. 71 2583 (1993)
  103. Yang J, Ihas G G J. Phys. Conf. Ser. 969 012004 (2018)
  104. Stalp S R et al Phys. Fluids 14 1377 (2002)
  105. Niemela J J, Sreenivasan K R, Donnelly R J J. Low Temp. Phys. 138 537 (2005)
  106. Rusaouen E et al Phys. Fluids 29 105108 (2017)
  107. Nichol H A et al Phys. Rev. E 70 056307 (2004)
  108. Vinen W F, Skrbek L, Nichol H A J. Low Temp. Phys. 135 423 (2004)
  109. Nichol H A "Experimental investigation of the macroscopic flow of helium II at mK temperatures" PhD Thesis (Lancaster: Lancaster Univ., 2003)
  110. Charalambous D et al Phys. Rev. E 74 036307 (2006)
  111. Efimov V B et al J. Low Temp. Phys. 158 462 (2010)
  112. Jäger J, Schuderer B, Schoepe W Phys. Rev. Lett. 74 566 (1995)
  113. Schoepe W Phys. Rev. Lett. 92 095301 (2004)
  114. Schoepe W J. Low Temp. Phys. 161 526 (2010)
  115. Niemetz M, Kerscher H, Schoepe W J. Low Temp. Phys. 126 287 (2002)
  116. Blaauwgeers R et al J. Low Temp. Phys. 146 537 (2007)
  117. Fisher S N et al Phys. Rev. Lett. 86 244 (2001)
  118. Nago Y et al Phys. Rev. B 82 224511 (2010)
  119. Yano H et al J. Low Temp. Phys. 187 515 (2017)
  120. González M et al Rev. Sci. Instrum. 84 025003 (2013)
  121. Guénault A M et al Phys. Rev. B 100 020506 (2019)
  122. Barquist C S et al J. Low Temp. Phys. 183 307 (2016)
  123. Zheng P et al J. Low Temp. Phys. 183 313 (2016)
  124. Barquist C S et al J. Low Temp. Phys. 201 4 (2020)
  125. Koester D et al PolyMUMPs Design Handbook (Durham, NC: MEMSCAP, 2005); Koester D http://www.memscap.com/products/mumps
  126. Guthrie A et al Nat. Commun. 12 2645 (2021)
  127. Guénault A M at al. Phys. Rev. B 101 060503 (2020)
  128. Ahlstrom S L et al Phys. Rev. B 89 014515 (2014)
  129. Bradley D I et al Phys. Rev. B 85 014501 (2012)
  130. Шешин Г и др Физика низких температур 39 1062 (2013); Sheshin G et al Low Temp. Phys. 39 823 (2013)
  131. Schmoranzer D et al J. Low Temp. Phys. 163 317 (2011)
  132. Bradley D I et al J. Low Temp. Phys. 156 116 (2009)
  133. Yano H et al AIP Conf. Proc. 850 195 (2006)
  134. Luzuriaga J J. Low Temp. Phys. 138 267 (1997)
  135. Bradley D I et al Phys. Rev. Lett. 96 035301 (2006)
  136. Vinen W F J. Low Temp. Phys. 145 7 (2006)
  137. L'vov V, Nazarenko S, Skrbek L J. Low Temp. Phys. 145 125 (2006)
  138. Kozik E V, Svistunov B V J. Low. Temp. Phys. 156 215 (2009)
  139. Bradley D I et al Phys. Rev. Lett. 101 065302 (2008)
  140. Roche P-E et al Europhys. Lett. 77 66002 (2007)
  141. Sasa N et al Phys. Rev. B 84 054525 (2011)
  142. Baggaley A W, Laurie J, Barenghi C F Phys. Rev. Lett. 109 205304 (2012)
  143. Kotsubo V, Swift G W Phys. Rev. Lett. 62 2604 (1989)
  144. Kotsubo V, Swift G W J. Low Temp. Phys. 78 351 (1990)
  145. Hänninen R, Schoepe W J. Low Temp. Phys. 164 1 (2011)
  146. Hänninen R, Schoepe W arXiv:0801.2521
  147. Hänninen R, Schoepe W J. Low Temp. Phys. 153 189 (2008)
  148. Hänninen R, Schoepe W J. Low Temp. Phys. 158 410 (2010)
  149. Vinen W F Phys. Rev. B 61 1410 (2000)
  150. Tsubota M, Araki T, Nemirovskii S K Phys. Rev. B 62 11751 (2000)
  151. Paoletti M S et al J. Phys. Soc. Jpn. 77 111007 (2008)
  152. Meichle D P, Lathrop D P Rev. Sci. Instrum. 85 073705 (2014)
  153. Bewley G P, Sreenivasan K R, Lathrop D P Exp. Fluids 44 887 (2008)
  154. Fonda E et al Proc. Natl. Acad. Sci. USA 111 (Suppl. 1) 4707 (2014)
  155. Fonda E, Sreenivasan K R, Lathrop D P Proc. Natl. Acad. Sci. USA 116 1924 (2019)
  156. Howe M S Acoustics of Fluid-Structure Interactions (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1998)
  157. Vinen W F Phys. Rev. B 64 134520 (2001)
  158. L'vov V S, Nazarenko S V, Rydenko O Phys. Rev. B 76 024520 (2007)
  159. Niemetz M, Schoepe W J. Low Temp. Phys. 135 447 (2004)
  160. Bradley D I et al J. Low Temp. Phys. 138 493 (2005)
  161. Blažková M, Schmoranzer D, Skrbek L Phys. Rev. E 75 025302 (2007)
  162. Hashimoto N et al Phys. Rev. B 76 020504 (2007)
  163. Yano H et al J. Low Temp. Phys. 150 410 (2008)
  164. Garg D "Experimental investigation of quantized vortices using grid and quartz tuning forks in superfluid helium-4 in the zero temperature limit" PhD Thesis (Lancaster: Depart. of Physics, Lancaster Univ., 2010)
  165. Blažková M et al J. Low Temp. Phys. 148 305 (2007)
  166. Schoepe W, Hänninen R, Niemetz M J. Low Temp. Phys. 178 383 (2015)
  167. Hänninen R, Tsubota M, Vinen W F Phys. Rev. B 75 064502 (2007)
  168. Hall H Phil. Trans. R. Soc. 250 359 (1957)
  169. Кондаурова Л П, Немировский С К Физика низких температур 37 523 (2011); Kondaurova L P, Nemirovskii S K Low Temp. Phys. 37 413 (2011)
  170. Kondaurova L, Nemirovskii S K Phys. Rev. B 86 134506 (2012)
  171. Schwarz K W Phys. Rev. B 38 2398 (1988)
  172. Nakatsuji A, Tsubota M, Yano H J. Low Temp. Phys. 171 519 (2013)
  173. Barenghi C F, Hänninen R, Tsubota M Phys. Rev. E 74 046303 (2006)
  174. Nemirovskii S K Phys. Rev. B 81 064512 (2010)
  175. Попов В Н ЖЭТФ 64 672 (1973); Popov V N Sov. Phys. JETP 37 341 (1973)
  176. Thouless D J, Anglin J R Phys. Rev. Lett. 99 105301 (2007)
  177. Duan J-M Phys. Rev. B 49 12381 (1994)
  178. Nago Y et al J. Low Temp. Phys. 158 443 (2010)
  179. Yano H et al Phys. Rev. B 81 220507 (2010)
  180. Kubo H et al J. Low Temp. Phys. 171 466 (2013)
  181. Yano H et al J. Low Temp. Phys. 156 132 (2009)
  182. Garg D et al Физика низких температур 38 1300 (2012); Garg D et al Low Temp. Phys. 38 1026 (2012)
  183. Nago Y et al Phys. Rev. B 87 024511 (2013)
  184. Guthrie A et al arXiv:2007.04482
  185. Bewley G et al Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105 13707 (2008)
  186. Galantucci L et al Proc. Natl. Acad. Sci. USA 116 12204 (2019)
  187. Bewley G P Cryogenics 49 549 (2009)
  188. Bewley G P, Sreenivasan K R J. Low Temp. Phys. 156 84 (2009)
  189. Nago Y et al J. Low Temp. Phys. 162 322 (2011)
  190. Nakagawa T et al Phys. Rev. B 101 184515 (2020); Nakagawa T et al arXiv:2002.05387
  191. Bao M Analysis and Design Principles of MEMS Devices (Amsterdam: Elsevier Science, 2005)
  192. Guthrie A et al Appl. Phys. Lett. 115 113103 (2019)
  193. Hendry P C, McClintock P V E Cryogenics 27 131 (1987)
© Успехи физических наук, 1918–2024
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение