Propriétés lagrangiennes et universalité de la turbulence quantique – GIANTE

Ce projet combine l’état de l’art en simulations numériques et emprunte des outils de la physique non-linéaire et de la mécanique statistique. Des simulations du modèle de Gross-Pitaevskii et d’Hall-Vinen-Bekharavich-Khalatinikov, sont en train d'être réalisées. La dynamique des particules est aussi intégrée dans ces modèles. En particulier, ce projet vise à trouver à quel point l’interaction entre particules et les vortex superfluides est importante, et comment ces particules échantillonnent le superfluide. Le projet ne se concentre pas que sur un seul type de superfluide, mais plutôt vise à dévoiler les aspects universels de la turbulence superfluide.

À l'aide de différents modèles, nous avons réussi à comprendre comment les particules interagissent avec les tourbillons superfluides et comment elles peuvent être utilisées avec des fins expérimentales.

Par exemple, nous avons montré qu'une analogie mathématique entre les particules piégées dans les vortex quantiques et la physique du solide peut être construite.
L'utilisation complémentaire de l'état de l'art en simulation numérique et des approches théoriques innovantes est le principal atout de l'équipe.

Nous espérons développer une compréhension approfondie de la turbulence quantique, en abordant de questions fondamentales sur les superfluides, telles que l'intermittence de la turbulence quantique, aux problèmes ayant des implications importantes dans le monde industriel, comme la dynamique des superfluides dans des domaines confinés.

1. Interaction between active particles and quantum vortices leading to Kelvin wave generation. Umberto Giuriato et Giorgio Krstulovic. Scientific Reports volume 9, Article number: 4839 (2019). www.nature.com/articles/s41598-019-39877-w
2. Quantitative estimation of effective viscosity in quantum turbulence. Vishwanath Shukla, Pablo D. Mininni, Giorgio Krstulovic, Patricio Clark di Leoni, and Marc E. Brachet. Phys. Rev. A 99, 043605 (2020). journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.99.043605
3. Clustering and phase transitions in a 2D superfluid with immiscible active impurities. Umberto Giuriato, Giorgio Krstulovic1 etDavide Proment. Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, Volume 52, Number 30 (2019). iopscience.iop.org/article/10.1088/1751-8121/ab2607
4. Inhomogeneous distribution of particles in coflow and counterflow quantum turbulence. Juan Ignacio Polanco and Giorgio Krstulovic. Phys. Rev. Fluids 5, 032601(R) (2020). journals.aps.org/prfluids/abstract/10.1103/PhysRevFluids.5.032601
5. How trapped particles interact with and sample superfluid vortex excitations. Umberto Giuriato, Giorgio Krstulovic, and Sergey Nazarenko. Phys. Rev. Research 2, 023149 (2020). journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.2.023149
6. Active and finite-size particles in decaying quantum turbulence at low temperature. Umberto Giuriato and Giorgio Krstulovic Phys. Rev. Fluids 5, 054608 (2020). journals.aps.org/prfluids/abstract/10.1103/PhysRevFluids.5.054608
7. A New Self-Consistent Approach of Quantum Turbulence in Superfluid Helium. Luca Galantucci, Andrew W. Baggaley, Carlo F. Barenghi, Giorgio Krstulovic. European Physics Plus, Eur. Phys. J. Plus (2020) 135:547.

La turbulence hydrodynamique est considérée comme un prototype de système loin de l'équilibre. Sa description phénoménologique est basée sur les idées de Richardson et Kolmogorov où l'énergie cascade à travers différentes échelles. Dans plusieurs fluides complexes, la turbulence de Kolmogorov n'est valide que dans une zone d'échelles réduite. En dehors cette zone, l'énergie est transportée le long des échelles par de différents processus physiques, comme l'interaction entre des structures cohérentes et des ondes non-linéaires. C'est le cas de la turbulence quantique observée avec des superfluides comme le 3He et 4He, des condensats de Bose-Einstein (BEC) et des fluides quantiques de lumière, observée dans des expériences récentes utilisant des cavités. La turbulence quantique est un phénomène hors équilibre qui présente une grande séparation d'échelles spatiale et temporelle. L'effet le plus remarquable d'un superfluide est la présence de vortex quantiques, dont la circulation est quantifiée.

Au cours des dernières années, grâce au développement des nouvelles techniques expérimentales, des vortex quantiques ont été visualisés. Il est aujourd'hui possible d'étudier la dynamique de vortex dans les BECs et dans l'hélium superfluide. Ces expériences ont permis d'utiliser des particules pour mettre en évidence les différences entre la turbulence classique et quantique. Cependant, malgré ce grand progrès, les techniques expérimentales actuelles ne permettent pas d'exciter et de mesurer toutes les échelles de la turbulence quantique. Des nombreuses questions fondamentales restent ouvertes dans ce type de systèmes.

L'objectif de ce projet est d'étudier la dynamique des particules dans les superfluides et leur interaction avec les vortex, en se concentrant sur les phénomènes physiques ayant lieu entre les échelles classiques et quantiques. Il utilise dans le cas quantique des techniques standard utilisées dans la description théorique de la turbulence classique. Il combine l'état de l'art en simulations numériques et emprunte des outils de la physique non-linéaire et de la mécanique statistique. Des simulations du modèle de Gross-Pitaevskii et d'Hall-Vinen-Bekharavich-Khalatinikov, seront réalisées pendant le projet. La dynamique des particules sera aussi intégrée dans ces modèles. En particulier, ce projet vise à trouver à quel point l'interaction entre particules et les vortex superfluides est importante, et comment ces particules échantillonnent le superfluide. Le projet ne se concentre pas que sur un seul type de superfluide mais plutôt vise à dévoiler les aspects universels de la turbulence superfluide.

L'équipe du projet est composée d'experts en turbulence hydrodynamique classique et quantique, avec une forte expertise en méthodes théoriques et numériques pour la dynamique de fluides. Leurs différentes compétences assurent une bonne synergie dans l'équipe.

Ce projet complément de différentes expériences réalisées actuellement en Europe avec de l'hélium superfluide, des BEC atomiques et des fluides quantiques de lumière. Les résultats théoriques et numériques attendus aideront la compréhension des expériences récentes