以色列科学家首次在实验中发现原子与分子“涡束”

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以色列魏茨曼科学院的物理学家Edvardas Narevicius的研究团队首次在实验中发现由原子和分子构成的、带有螺旋结构的“涡束（vortex beam）”，这项工作发表在9月3日出版的《科学》杂志上。此前的研究曾经发现由光子和电子构成的“涡束”，这类“涡束”在空间中呈现出螺旋形结构，并可通过量子物理机制构建特殊的微观图像，因而可以带来更多的微观世界的信息。这次发现的“涡束”则尚不知会有哪些用途。




Narevicius团队在实验中让氦原子流过间距只有600纳米的格栅，然后在位于原子流的下游的探测器上捕捉到了一串圆环形的图像。这些圆环形图像就是由氦原子和氦的准分子形成的，表明氦原子和准分子在空间中做螺旋运动因而具有角动量。
Narevicius团队下一步打算研究原子和准分子“涡束”与其它粒子发生碰撞会发生什么现象。常规的粒子束碰撞已经为大家熟知，但这种带螺旋结构的“涡束”碰撞还从未有人研究过。



（消息来自Science News网站）

coolboy

直观地推理、想象一下的话，“涡束”应该是由气流经过格栅时，由格栅的边界层的摩擦作用所产生的。
大家知道流体力学中有著名的、比较强的涡度守恒律或原理。流体力学中的许多现象都可用涡度守恒律来加以解释。既然涡度或涡旋有着比较强的守恒特性，那么涡度又是如何产生以及在何处产生的呢？一个比较靠谱的答案就是：涡度通常是在边界层由摩擦作用所产生的。

周华

coolboy 发表于 2021-9-15 22:53
直观地推理、想象一下的话，“涡束”应该是由气流经过格栅时，由格栅的边界层的摩擦作用所产生的。
大家知 ...

嗯，这个新闻中的“涡束”应该是氦原子受到格栅上的固体分子作用形成的。湍流理论一般认为在这个尺度上只有热运动，现在看起来也不完全对。

coolboy

周华 发表于 2021-9-17 17:16
嗯，这个新闻中的“涡束”应该是氦原子受到格栅上的固体分子作用形成的。湍流理论一般认为在这个尺度上只 ...

流体力学中说到尺度一般都应该是无量纲数。这里涉及的应该是努森数(Knudsen number)Kn。对于中性流体，当Kn>>1时，需要动理学方程来描述、研究流体的运动。对于带电流体（等离子体），即使不满足Kn>>1的条件，也有一部分粒子会偏离热平衡态的分布而需要区分对待。

周华

coolboy 发表于 2021-9-17 21:12
流体力学中说到尺度一般都应该是无量纲数。这里涉及的应该是努森数(Knudsen number)Kn。对于中性流体， ...

这个实验中的格栅间隔是600纳米，其knudsen数应该在0.1左右，所以应该属于过渡区吧。从第二张图上看，探测器上的图像是由散斑构成的，所以热运动和涡旋两种运动成分都有，可以看作是这两种运动的叠加，“涡束”强调的应该是后者。湍流研究中一般认为尺度很小的时候，机械能将耗散为热能，小涡耗散后应该就没有涡旋的结构了，所以这个实验对以前的这种认识应该是起到了修正作用。

wiseboy

旋涡是一种运动场景，而这种运动的动力或者是能量来自哪里？显然，因为这种旋涡的尺度远远大于分子原子，它产生的原因不可能像分子、原子的自旋一样。一种解释就是摩擦引起，而说到摩擦，尺度似乎又有点“宏观”。

zheng000012

涡旋应该是一种边振荡边衰减的过程，可以用二维的质量弹簧阻尼系统来解释，也可以用二维的线性方程绘制出来。我用这个方程绘制了卡门涡街和反卡门涡街的图形。感兴趣的可以看我发的贴子：流体的二阶线性模型及在卡门涡街绘制中的应用
http://www.cfluid.com/forum.php? ... &fromuid=156094
(出处: 流体中文网)

zheng000012

涡可以看作是一个边振荡边衰减的过程。也许可以用质量弹簧阻尼系统来描述。我假设流体是一个质量弹簧阻尼系统，将涡流看作是弹簧引起的振荡项。我们就可以利用二阶线性系统直接画出卡门涡街和反卡门涡街。具体的请看我的帖子：流体的二阶线性模型及在卡门涡街绘制中的应用。不了解量子力学的内容，但是看涡的形貌，应该也可以用同样的方法绘制。