Ułatwienia dostępu

2023-04-06
Osiągnięcia naukowe
Wiry kwantowe w kwantowym płynie światła – Skupienie wirów kwantowych w płynie polarytonowym ujawnia właściwości hydrodynamiczne płynącego światła. Podobnie jak w przypadku płynów klasycznych, ich klasyfikacja opiera się na kierunku ich wirowania. Podczas ruchu płyn przekształca energię wiru w energię fal; skala kolorów przedstawia jego intensywność.

Turbulentny ruch płynów jest prawdopodobnie najbardziej skomplikowanym problemem fizyki, ale także jednym z najważniejszych. Rzeczywiście, nawet dzisiaj niezwykle trudno jest przewidywać turbulentną dynamikę płynów. Jednak turbulencje mają fundamentalne znaczenie dla opisu np. aerodynamiki samolotu i przepływu krwi w naszych tętnicach, ale także dla zrozumienia istnienia ziemskiego pola magnetycznego i erupcji korony słonecznej.

W artykule opublikowanym niedawno w Nature Photonics naukowcy z Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk, University College London (Wielka Brytania) oraz zaawansowanej grupy fotonicznej CNR-NANOTEC (Włochy) po raz pierwszy stworzyli ruch turbulentny w płynie światła, skutecznie otwierając nową dziedzinę badań, która wykorzystując potencjał fotoniki umożliwia badanie turbulencji z niespotykaną dotąd precyzją. Dario Ballarini, lider grupy badawczej w CNR-NANOTEC, wyjaśnia: - Chociaż zasadniczo ruchem turbulentnym rządzą dobrze znane równania Naviera-Stokesa, trudność problemu polega na nieliniowości tych równań względem prędkość płynu i szeroki zakres zaangażowanych skal przestrzennych. Te dwa elementy utrudniają numeryczną symulację turbulentnej dynamiki, nawet przy użyciu bardzo potężnych dostępnych obecnie komputerów. W ostatnim stuleciu dokonał się w tym zakresie istotny postęp. W 1941 roku A. N. Kołmogorow przedstawił hipotezę fundamentalnego aspektu turbulencji, a mianowicie obecności „kaskad energii”. - W objętości płynu w ruchu turbulentnym energia przepływa od bardzo dużych struktur wirowych do coraz mniejszych, bezwładnie i bez rozpraszania, aż do osiągnięcia bardzo małych skal przestrzennych, gdzie energia jest ostatecznie rozpraszana w ciepło - wyjaśnia Daniele Sanvitto, dyrektor grupy badawczej w CNR-NANOTEC. - Co zaskakujące, w dwóch wymiarach, tj. w ruchu turbulentnym cienkiej warstwy płynu, dzieje się dokładnie odwrotnie: większe wiry tworzą się z mniejszych i tworzą stabilne, duże wzory wirowe w czasie. To nie jest zwykła ciekawostka matematyczna; wręcz przeciwnie, ta „odwrotna kaskada” energii leży u podstaw akumulacji plastiku w oceanach (powierzchniowych ruch fal można właściwie uznać za dwuwymiarowy) oraz stabilności struktur wirowych w atmosferze ziemskiej rozciągających się na tysiące kilometrów”. Ten opis statystyczny wynika ze złożoności problemu, ale fizyka kwantowa staje się nieoczekiwanie przydatna do podejścia do problemu turbulencji z innej strony. Paolo Comaron z Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk i University College London, który wspólnie z Michałem Matuszewskim opracował analizę teoretyczną tej pracy, dodaje - W przeciwieństwie do klasycznej turbulencji, która jest wszechobecna w życiu codziennym, turbulencja kwantowa jest niezwykle trudna do badania i wymaga starannego przygotowania płynów kwantowych. W płynie kwantowym wiry są skwantowane i pozwalają na opracowanie uproszczonych modeli turbulencji (modele wirów punktowych), co sugeruje, że zrozumienie turbulencji kwantowych może posłużyć do uchwycenia zasadniczych i wciąż tajemniczych aspektów turbulencji w płynach klasycznych. Niedawno możliwość sterowania płynami kwantowymi osiągnęła wysoki poziom precyzji, co umożliwiło wprowadzenie w życie pomysłów L. Onsagera i R. P. Feynmanna, którzy zapoczątkowali badanie turbulencji kwantowych. Jednak w dwuwymiarowych systemach świetlnych jest to nadal w dużej mierze niezbadane zjawisko. Skłoniło nas to do zbadania turbulencji w nowym systemie, kwantowych cieczach światła. W ramach tego badania naukowcy biorący udział w międzynarodowej współpracy byli w stanie zaobserwować odwrotną kaskadę energii i tworzenie się skupisk wirów tego samego znaku w kwantowym płynie światła, pokazując, że nawet w dwuwymiarowej turbulencji kwantowej i klasycznej zachodzą te same podstawowe procesy . Możliwość pomiaru prędkości przepływu kwantowej cieczy światła i śledzenia ruchu wirów kwantowych w tych układach optycznych daje ogromną nadzieję na zrozumienie zjawiska, które przez wieki okazywało się trudne do opanowania.


Prace naukowe

R. Panico, P. Comaron, M. Matuszewski, A. S. Lanotte, D. Trypogeorgos, G. Gigli, M. De Giorgi, V. Ardizzone, D. Sanvitto & D. Ballarini

Kontakt do naukowców w IF PAN

Paolo Comaron

Michał Matuszewski



Zobacz więcej

Interakcja wirusa SARS-CoV-2 z komórkami gospodarza i przeciwciałami: eksperyment i symulacja

Chem. Soc. Rev. 2023, 52 (18), 6497-6553

Drugi koronawirus ciężkiego ostrego zespołu oddechowego (SARS-CoV-2) spowodował niszczącą światową pandemię COVID-19, oficjalnie ogłoszoną przez WHO w marcu 2020 roku. Podczas trwania pandemii zakażonych było ponad 700 milionów i pochłonęła ona życie ponad 70 milionów ludzi na całym świecie. ...

Molekularne mechanizmy omijania białek opiekuńczych przez rozpuszczalne, nieprawidłowo zwinięte białka

Nat. Commun. 2023, 14 (1), 3689

Subpopulacje rozpuszczalnych, nieprawidłowo zwiniętych białek mogą uniknąć oddziaływań z białkami opiekuńczymi wewnątrz komórek a zakres tego zjawiska i sposób, w jaki zachodzi na poziomie molekularnym, pozostają nieznane. Przeprowadzając metaanalizę literatury dotyczącej badań eksperymentalnych ...

Inversja singlet-triplet wzbudzonych stanów elektronowych w heksagonalnych związkach aromatycznych i heteroaromatycznych

 Phys. Chem. Chem. Phys., 2023, 25, 21875-21882

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/cp/d3cp01666h

Artykuł wyróżniony przez Redakcję jako "2023 HOT PCCP article"

Obliczenia ab initio przeprowadzone przez fizyków z IF PAN i Politechniki w Monachium wskazują na istnienie szerokiej klasy cząsteczek organicznych o odwróconej kolejności najniższych stanów singletowych i trypletowych. Odkrycie to może mieć istotne konsekwencje dla konstrukcji nowej generacji di...
Zapamiętaj ustawienia
Ustawienia plików cookies
Do działania oraz analizy naszej strony używamy plików cookies i podobnych technologii. Pomagają nam także zrozumieć w jaki sposób korzystasz z treści i funkcji witryny. Dzięki temu możemy nadal ulepszać i personalizować korzystanie z naszego serwisu. Zapewniamy, że Twoje dane są u nas bezpieczne. Nie przekazujemy ich firmom trzecim. Potwierdzając tę wiadomość akceptujesz naszą Politykę plików cookies.
Zaznacz wszystkie zgody
Odrzuć wszystko
Przeczytaj więcej
Essential
Te pliki cookie są potrzebne do prawidłowego działania witryny. Nie możesz ich wyłączyć.
Niezbędne pliki cookies
Te pliki cookie są konieczne do prawidłowego działania serwisu dlatego też nie można ich wyłączyć z tego poziomu, korzystanie z tych plików nie wiąże się z przetwarzaniem danych osobowych. W ustawieniach przeglądarki możliwe jest ich wyłączenie co może jednak zakłócić prawidłowe działanie serwisu.
Akceptuję
Analityczne pliki cookies
Te pliki cookie mają na celu w szczególności uzyskanie przez administratora serwisu wiedzy na temat statystyk dotyczących ruchu na stronie i źródła odwiedzin. Zazwyczaj zbieranie tych danych odbywa się anonimowo.
Google Analytics
Akceptuję
Odrzucam