La formación espontánea de un vórtice cuántico de carga múltiple en un condensado de polaritón bombeado en anillo mediante la integración numérica de las Ecs. (3) y (4). Las instantáneas de densidad (fila superior) y fase (fila inferior) se muestran en varias etapas de la formación del condensado. Para mayor claridad, cada perfil de densidad se vuelve a escalar a unidades máximas. Los perfiles de bombeo se superponen en negro (en unidades de P), mostrando la separación espacial entre la bomba y el condensado. (a) Al comienzo de la formación de condensado, debido a la geometría de la bomba, La interferencia de la onda de materia conduce a ceros anulares en la función de onda. (b) Estas singularidades de anillo son inestables a la inestabilidad dinámica, se vuelven asimétricos y se puede observar que se rompen en vórtices unitarios más estables a medida que el condensado continúa desarrollándose. (c) El condensado llena una región en forma de disco con casi uniformidad dentro de la bomba de anillo, pero los vórtices restantes interactúan caóticamente. La turbulencia del vórtice eventualmente decae, dejando una carga topológica neta [48, 49]. Repitiendo estas simulaciones con diferentes condiciones iniciales aleatorias, la magnitud y el signo de la vorticidad final varían. Aquí,
Cualquiera que haya vaciado una bañera o mezclado crema en el café ha visto un vórtice, una formación ubicua que aparece cuando circula líquido. Pero a diferencia del agua, Los fluidos regidos por las extrañas reglas de la mecánica cuántica tienen una restricción especial:como predijo por primera vez en 1945 el futuro ganador del Nobel Lars Onsager, un vórtice en un fluido cuántico solo puede girar en unidades de números enteros.
Se predice que estas estructuras giratorias serán ampliamente útiles para estudiar todo, desde sistemas cuánticos hasta agujeros negros. Pero aunque el vórtice cuántico más pequeño posible, con una sola unidad de rotación, se ha visto en muchos sistemas, los vórtices más grandes no son estables. Si bien los científicos han intentado obligar a los vórtices más grandes a mantenerse unidos, los resultados han sido mixtos:cuando se han formado los vórtices, la severidad de los métodos utilizados ha destruido en general su utilidad.
Ahora, Samuel Alperin y la profesora Natalia Berloff de la Universidad de Cambridge han descubierto un mecanismo teórico a través del cual los vórtices cuánticos gigantes no solo son estables sino que se forman por sí mismos en fluidos casi uniformes. Los resultados, publicado en la revista Optica , podría allanar el camino para experimentos que podrían proporcionar información sobre la naturaleza de los agujeros negros giratorios que tienen similitudes con vórtices cuánticos gigantes.
Para hacer esto, los investigadores utilizaron un híbrido cuántico de luz y materia, llamado polariton. Estas partículas se forman proyectando luz láser sobre materiales en capas especiales. "Cuando la luz queda atrapada en las capas, la luz y la materia se vuelven inseparables, y resulta más práctico considerar la sustancia resultante como algo distinto de la luz o la materia, mientras hereda las propiedades de ambos, "dijo Alperin, un doctorado estudiante del Departamento de Matemáticas Aplicadas y Física Teórica de Cambridge.
Una de las propiedades más importantes de los polaritones proviene del simple hecho de que la luz no puede quedar atrapada para siempre. Un fluido de polaritones, que requiere una alta densidad de partículas exóticas, está expulsando luz constantemente, y necesita ser alimentado con luz fresca del láser para sobrevivir. "El resultado, "dijo Alperin, "es un fluido que nunca se deja sedimentar, y que no necesita obedecer lo que suelen ser restricciones básicas en física, como la conservación de la energía. Aquí la energía puede cambiar como parte de la dinámica del fluido ".
Fueron exactamente estos flujos constantes de luz líquida los que los investigadores explotaron para permitir que se formara el escurridizo vórtice gigante. En lugar de hacer brillar el láser sobre el propio fluido polariton, la nueva propuesta tiene la luz en forma de anillo, causando un flujo constante hacia adentro de manera similar a como fluye el agua hacia el desagüe de una bañera. Según la teoría, este flujo es suficiente para concentrar cualquier rotación en un solo vórtice gigante.
"Que el vórtice gigante realmente pueda existir en condiciones que sean adecuadas para su estudio y uso técnico fue bastante sorprendente, "Alperin dijo, "pero en realidad solo demuestra cuán completamente distinta es la hidrodinámica de los polaritones de los fluidos cuánticos más bien estudiados. Es un territorio emocionante".
Los investigadores dicen que están apenas al comienzo de su trabajo sobre vórtices cuánticos gigantes. Fueron capaces de simular la colisión de varios vórtices cuánticos mientras bailan entre sí con una velocidad cada vez mayor hasta que chocan para formar un único vórtice gigante análogo a la colisión de los agujeros negros. También explicaron las inestabilidades que limitan el tamaño máximo del vórtice mientras exploran la intrincada física del comportamiento del vórtice.
"Estas estructuras tienen algunas propiedades acústicas interesantes:tienen resonancias acústicas que dependen de su rotación, así que cantan información sobre sí mismos, "dijo Alperin." Matemáticamente, es bastante análogo a la forma en que los agujeros negros en rotación irradian información sobre sus propias propiedades ".
Los investigadores esperan que la similitud pueda conducir a nuevos conocimientos sobre la teoría de la dinámica cuántica de fluidos. pero también dicen que los polaritones podrían ser una herramienta útil para estudiar el comportamiento de los agujeros negros.
