УДК 538.941:530.182:536.48 Л. В. Абдурахимов1, М. Ю. Бражников2, Г. В. Колмаков2, А. А. Левченко2, Л. П. Межов-Деглин2 1 Московский физико-технический институт (государственный университет) 2 Институт физики твердого тела ИФТТ РАН КАПИЛЛЯРНАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ НА ПОВЕРХНОСТИ НОРМАЛЬНОГО И СВЕРХТЕКУЧЕГО ГЕЛИЯ-4. Волновая турбулентность является предметом тщательных теоретических и экспериментальных исследований на протяжении последних нескольких лет. Интерес к этой области явлений объясняется многочисленными прикладными задачами [1]. Одной из наиболее известных задач является предсказание погоды, основанное на информации, полученной со спутников, сканирующих поверхность океана. Недавние эксперименты на поверхности жидкого водорода [2] способствовали значительному прогрессу в понимании турбулентности на поверхности жидкости и стимулировали дальнейшее развитие теории. Основная идея данной работы заключается в использовании для экспериментального исследования волновой турбулентности отличительных свойств гелия-4: высокой нелинейности его капиллярных волн; возможности уменьшить вязкость жидкости на несколько порядков понижением температуры ниже температуры сверхтекучего перехода, что позволит изучать волновую турбулентность с разными значениями высокочастотной границы инерционного интервала; возможности создать квазидвумерный слой положительных зарядов под поверхностью жидкости, что позволяет возмущать поверхность при помощи внешнего переменного электрического поля. В данной работе использовалась экспериментальная методика, которая применялась ранее в экспериментах на поверхности жидкого водорода [3]. Эксперименты проводились в цилиндрической оптической ячейке, которая размещалась в вакуумной полости гелиевого криостата. Температура в ячейке изменялась при помощи откачки паров гелия и измерялась при помощи терморезистора. В ячейке располагался медный стакан, в который конденсировался гелий (диаметр стакана 30.5 мм, глубина 4 мм). На дне стакана располагалась радиоактивная мишень, испускающая β-электроны. Электроны ионизировали тонкий слой жидкости вблизи мишени. К стакану прикладывалось постоянное напряжение таким образом, чтобы положительные заряды образовывали квазидвумерный слой под поверхностью жидкости. Колебания поверхности жидкого гелия возбуждались с помощью переменного напряжения, прикладываемого к стакану в дополнение к постоянному напряжению. Колебания регистрировались с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности. Отраженный от колеблющейся поверхности жидкости луч с помощью линзы фокусировался на фотоприемник. Измерялась полная мощность отраженного лазерного луча P(t). Из спектра мощности P(ω) можно получить корреляционную функцию отклонений поверхности от плоского состояния в Фурье-представлении I(ω), которая характеризует энергетический спектр E(ω) поверхностных волн[3]. В результате исследований, нам впервые удалось наблюдать колмогоровский каскад на поверхности нормального (при температуре 4.2К) и сверхтекучего (при температуре 1.95К) гелия-4 (рис. 1). Рис. 1. Стрелка указывает высокочастотную границу инерционного интервала Обнаружено, что при переходе в сверхтекучее состояние ширина инерционного интервала увеличивается в несколько раз относительно случая нормальной жидкости (инерционный интервал в сверхтекучем состоянии 18Гц-5000Гц, в нормальном – 18Гц1000Гц). Предварительные результаты эксперимента опубликованы в [4]. Таким образом, мы создали экспериментальную методику, позволяющую изучать турбулентность в системе волн на поверхности нормального и сверхтекучего гелия-4, и выполнили первые измерения, демонстрирующие значительное изменение в турбулентном каскаде при переходе гелия из нормального состояния в сверхтекучее. Авторы благодарны В. Н. Хлопинскому за помощь в подготовке экспериментов и В.Е. Захарову, Е. А. Кузнецову, P. V. E. McClintock за полезные дискуссии. Исследования выполнены при поддержке грантов РФФИ № 05-02-17849 и № 06-0217253, и проектов программ Президиума РАН «Квантовая макрофизика» и «Математические методы нелинейной динамики». Литература 1. V. E. Zakharov, G. Falkovich, and V. S. L’vov, Kolmogorov Spectra of Turbulence I (Springer, Berlin, 1992). 2. G. V. Kolmakov, A. A. Levchenko, M. Yu. Brazhnikov, L. P. Mezhov-Deglin, A. N. Silchenko, and P. V. E. McClintock, J. Low Temp. Phys. 139, 523 (2005). 3. M. Yu. Brazhnikov, A. A. Levchenko, and L. P. Mezhov-Deglin, Instr. Exp. Techn. 45 (6), 758 (2002). 4. L. V. Abdurakhimov, M. Yu. Brazhnikov, G. V. Kolmakov, A. A. Levchenko, L. P. Mezhov-Deglin, J. Low Temp. Phys. (2006), accepted for publishing