Потенциальная и вихревая турбулентность в сверхтекучем гелии

Гелий обладает уникальными свойствами. При температурах ниже 2.17 К гелий-4 становится сверхтекучим и его поведение описывается двухжидкостной гидродинамикой с нормальной и сверхтекучей компонентами, и это единственное вещество, остающееся в жидком состоянии при температурах вплоть до абсолютного нуля (при давлениях ниже 25 атм), когда количество возбуждений в среде и концентрация нормальной компоненты становится пренебрежимо малыми.

Такое поведение гелия определяет его применение как модельную среду с предельно низкой вязкостью.

Сверхтекучесть гелия идеально подходит для изучения формирования и распада турбулентной системы. Описание и моделирование поведения вихрей в сверхтекучем гелии при температурах ниже 0,1 К, когда количество нормальной компоненты становится пренебрежимо малым, существенно упрощается из-за квантования течения сверхтекучей компоненты и все гидродинамические свойства гелия, связанные с его вращательным движением, определяются квантовыми вихрями. Это позволяет генерировать квантовые вихри различными методами и изучать динамику изменения концентрации вихрей при генерации и распаде вихревой системы, разное поведение квантовых вихрей при турбулентности Колмогорова и Вайнена.

Еще одно уникальное свойство проявления квантовых свойств гелия, а именно – одновременное существование нормальной и сверхтекучей компонент, определяет возможность генерации звуков с разной физической природой. Так для сверхтекучего гелия наряду с первым звуком – волной плотности, существует второй звук – волна температуры. Аномально сильная зависимость скорости волн второго звука в сверхтекучем гелии от амплитуды волны и ее разнознаковость позволяет экспериментально изучать поведение нелинейных волн в среде с линейным законом дисперсии, процессы перекачки энергии из области гармонической накачки в область ее диссипации, динамику формирования прямых и обратных энергетических каскадов и их распада.