Para peneliti telah mengembangkan teori yang menunjukkan adanya viskositas kuantum dalam superfluida, yang berpotensi menjembatani hidrodinamika klasik dan kuantum. Pendekatan baru ini, yang melibatkan analisis jatuhnya bola dalam superfluida, berupaya memvalidasi persamaan Reynolds dalam konteks kuantum, menantang keyakinan lama mengenai dinamika fluida. Kredit: SciTechDaily.com
Kerangka teoritis yang bertujuan untuk mengukur kemiripan Reynolds dalam superfluida berpotensi membuktikan adanya viskositas kuantum.
Setiap cairan atau gas, mulai dari udara yang menyelimuti planet kita hingga darah yang mengalir melalui pembuluh darah kita, memiliki sifat terukur yang dikenal sebagai viskositas. Properti ini menentukan bagaimana fluida berperilaku ketika bersentuhan dengan zat apa pun. Jika viskositasnya lebih tinggi, fluida mengalir dengan tenang, suatu keadaan yang disebut laminar. Jika viskositas menurun maka fluida mengalami peralihan dari aliran laminar ke aliran turbulen.
Derajat aliran laminar atau turbulen disebut bilangan Reynolds yang berbanding terbalik dengan viskositas. Hukum kesamaan dinamik Reynolds atau persamaan Reynolds, menyatakan bahwa jika dua fluida mengalir mengelilingi struktur serupa dengan skala panjang yang berbeda, keduanya identik secara hidrodinamik asalkan menunjukkan bilangan Reynolds yang sama.
Superfluida Kuantum dan Kemiripan Reynolds
Namun, persamaan Reynolds ini tidak diterapkan pada superfluida kuantum, karena superfluida tersebut tidak memiliki viskositas — setidaknya, itulah yang diyakini para peneliti. Kini, seorang peneliti dari Institut Fisika Teoritis dan Eksperimental Nambu Yoichiro di Universitas Metropolitan Osaka di Jepang telah berteori tentang cara untuk menguji persamaan Reynolds dalam superfluida, yang dapat menunjukkan keberadaan viskositas kuantum dalam superfluida.
(Atas) Tarikan adalah nol tanpa pusaran kuantum pada T = 0. (Bawah) Pusaran kuantum berbutir kasar dapat mereproduksi prediksi persamaan Reynolds dengan membentuk gelombang turbulen dengan bilangan Reynolds tinggi yang ditentukan dengan viskositas kuantum. Inset mewakili pandangan mikroskopis dari vortisitas kuantum dalam gelombang turbulen. Kredit: Hiromitsu Takeuchi, Universitas Metropolitan Osaka
Hiromitsu Takeuchi, dosen di Graduate School of Science di Osaka Metropolitan University, baru-baru ini menerbitkan pendekatannya di Survey FisikB.
Menjungkirbalikkan Teori Tradisional
“Superfluida telah lama dianggap sebagai pengecualian nyata terhadap persamaan Reynolds,” kata Dr. Takeuchi, menjelaskan bahwa hukum persamaan Reynolds menyatakan bahwa jika dua aliran memiliki bilangan Reynolds yang sama, maka keduanya identik secara fisik. “Konsep viskositas kuantum menjungkirbalikkan akal sehat teori superfluida, yang memiliki sejarah panjang lebih dari setengah abad. Membangun kemiripan dalam superfluida merupakan langkah penting untuk menyatukan hidrodinamika klasik dan kuantum.”
Namun, superfluida kuantum dapat mengalami turbulensi, yang mengakibatkan kebingungan kuantum: Turbulensi dalam fluida memerlukan disipasi, jadi bagaimana turbulensi superfluida dapat mengalami disipasi tanpa viskositas? Mereka pasti mempunyai disipasi dan mungkin mengikuti persamaan Reynolds, namun pendekatan yang tepat untuk mengujinya belum dikembangkan.
Karakteristik ini dapat diperiksa, Dr. Takeuchi berteori, dengan menganalisis bagaimana bola padat jatuh ke dalam superfluida. Dengan menggabungkan kecepatan terminal jatuhnya bola dengan hambatan yang dihadapi bola dari fluida saat jatuh, peneliti dapat menentukan analogi persamaan Reynolds. Ini berarti viskositas efektif, yang disebut viskositas kuantum, dapat diukur.
“Studi ini berfokus pada masalah teoritis dalam memahami turbulensi kuantum dalam superfluida dan menunjukkan bahwa persamaan Reynolds dalam superfluida dapat diverifikasi dengan mengukur kecepatan terminal suatu benda yang jatuh dalam superfluida,” kata Dr. Takeuchi. “Jika verifikasi ini dapat dilakukan, maka hal ini menunjukkan bahwa viskositas kuantum ada bahkan dalam superfluida murni di nol mutlak. Saya tidak sabar untuk melihatnya diverifikasi melalui eksperimen.”
Referensi: “Viskositas kuantum dan persamaan Reynolds dari superfluida murni” oleh Hiromitsu Takeuchi, 11 Januari 2024, Survey FisikB.
DOI: 10.1103/PhysRevB.109.L020502
Studi ini didanai oleh Badan Sains dan Teknologi Jepang, Masyarakat Jepang untuk Promosi Sains, dan Proyek Promosi Penelitian Strategis Universitas Metropolitan Osaka (OMU).
