Углы ломают сверхтекучесть экспресс
Сверхтекучая жидкость течёт без трения, как вода в идеально гладкой трубе, но стоит ей встретить препятствие, и картина меняется. В новой работе рассмотрели, как сверхтекучий поток огибает прямоугольные стенки и ямы с острыми углами. Оказалось, что у самых углов скорость течения резко подскакивает — как воздух у крыла самолёта, только сильнее. Именно это ускорение, а не общая скорость потока, решает, когда в жидкости зарождаются вихри — крошечные квантованные водовороты.
Используя математический метод, восходящий к работам Германа Шварца, авторы нашли точные формулы для критической скорости — той, при которой вихри начинают появляться. Формулы зависят только от ширины препятствия и его высоты или глубины. Численные расчёты подтвердили теорию с высокой точностью. Это значит, что можно заранее предсказать, при какой скорости сверхтекучий поток потеряет устойчивость, просто измерив размеры препятствия.
Результаты напрямую применимы к экспериментам с бозе-эйнштейновскими конденсатами — облачками атомов, охлаждённых почти до абсолютного нуля, где сверхтекучесть наблюдают в лаборатории. Там препятствия с острыми краями создают лазерными лучами, и теперь можно точнее рассчитать, когда появятся вихри. Это шаг к управлению квантовыми вихрями — а они могут стать элементами будущих квантовых устройств.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2602.18876
We investigate analytically and numerically the dynamics of a two-dimensional superflow governed by the Gross-Pitaevskii equation passing over finite-size rectangular obstacles: an impenetrable wall and an impenetrable rectangular well. Extending classical studies of vortex nucleation around smooth obstacles, we focus on the role of sharp corners in determining the onset of vortex nucleation. Using a combination of analytical techniques based on the Schwarz-Christoffel methods for potential flow and on numerical simulations, we show that local velocity amplification near sharp corners crucially controls the critical flow velocity for vortex nucleation. For both wall and well configurations, we identify analytically and theoretically the critical velocities as a function of the obstacle width and its height or depth, finding an excellent agreement between the theory and our numerical simulations. Our results provide a simple framework for understanding superflow stability past finite-size obstacles with sharp features and are directly relevant to experimentally realizable configurations in atomic Bose-Einstein condensates and related superfluid systems.
Квантованные вихри в сверхтекучем гелии впервые увидели в 1950-х, пропуская через жидкость пучок электронов — вихри отбрасывали тени, как крошечные смерчи.