Lo que sucede exactamente dentro de las estrellas de neutrones, la etapa final de una estrella gigante, está sujeto a especulaciones. En términos de física, el interior de las estrellas de neutrones, Los gases atómicos fríos y los sistemas nucleares tienen una cosa en común:son sistemas gaseosos compuestos de sistemas altamente interactivos, fermiones superfluidos. Los investigadores alimentaron la supercomputadora Piz Daint con un nuevo método de simulación, y los resultados finalmente ofrecen información sobre procesos desconocidos de tales sistemas.

Estrellas de neutrones, Los gases atómicos fríos y los sistemas nucleares son todos sistemas gaseosos compuestos de sistemas altamente interactivos, fermiones superfluidos, es decir, sistemas cuya materia está formada por partículas con espín medio entero (momento angular intrínseco). La categoría de fermiones incluye electrones, protones y neutrones. A temperaturas muy bajas, estos sistemas se describen como superfluidos, lo que significa que las partículas que contienen no generan fricción interna alguna y poseen la propiedad de una conductividad térmica casi perfecta.

Estos gases de Fermi superfluidos no se comportan de acuerdo con las leyes de la física clásica, sino que se puede describir mejor utilizando las leyes de la mecánica cuántica. Gabriel Wlazłowski, profesor asistente en la Universidad Tecnológica de Varsovia y la Universidad de Washington en Seattle, y su equipo han desarrollado recientemente un nuevo método basado en la teoría funcional de la densidad (DFT). Con la ayuda de la supercomputadora Piz Daint, su objetivo es crear una descripción muy precisa de estos sistemas de fermiones superfluidos y su dinámica. En otras palabras, describirán cómo se forman y decaen los vórtices en esta "nube atómica". Los resultados fueron publicados en Cartas de revisión física .

Similar a una fiesta de baile folclórico

En gases Fermi superfluidos, Los fermiones individuales y los fermiones correlacionados ocurren uno al lado del otro. De las correlaciones entre partículas con espines opuestos, Surgen las propiedades superconductoras de los materiales. Fermiones correlacionados, como electrones en superconductores, existen en pares como un condensado y se denominan pares de Cooper. Cada par puede moverse a través del sistema sin pérdida de energía. Sin embargo, Durante muchos años se ha investigado lo que sucede en los casos de desequilibrio de espín, porque no todas las partículas pueden encontrar una pareja con spin opuesto para formar el par de Cooper. "La situación es similar a una fiesta de baile folclórico, donde el número de hombres y mujeres está desequilibrado, alguien se sentiría frustrado porque no puede formar una pareja, ", dice Wlazłowski. ¿Qué hacen los átomos no apareados? Esto es exactamente lo que los investigadores han estado estudiando.

Una descripción precisa de los gases superfluidos de Fermi, especialmente de sistemas con desequilibrio de espín, anteriormente ha sido muy difícil. El desequilibrio de giro ocurre cuando un sistema se ve afectado por un campo magnético, Dice Gabriel Wlazłowski. El objetivo del investigador ahora es aplicar el formalismo DFT a las estrellas de neutrones, así como a los magnetares, estrellas de neutrones con un fuerte campo magnético, para predecir lo que sucede en el interior. "Claramente, no hay forma de sondear explícitamente el interior de las estrellas. Por lo tanto, necesitamos confiar en simulaciones, para lo cual necesitamos herramientas confiables, "Dice Wlazłowski. Por lo tanto, los investigadores estaban buscando un sistema terrestre que comparta muchas similitudes con el sistema objetivo. "Resulta que los gases atómicos ultrafríos que interactúan fuertemente son muy similares a la materia de neutrones".

Por sus experimentos numéricos, los investigadores utilizaron la descripción teórica cuántica más completa disponible actualmente para sistemas de muchos cuerpos para describir este tipo de sistema. Esto les permitió producir una teoría DFT más profunda para sistemas superfluidos. También lo combinaron con una aproximación especial de densidad local de superfluidos dependiente del tiempo para un gas de Fermi con desequilibrio de espín unitario. "Sin aproximación, La DFT superconductora conducirá a ecuaciones integro-diferenciales que están fuera del alcance incluso para supercomputadoras de exaescala, ", Dice Wlazłowski. Con su estudio actual, los investigadores ahora pueden demostrar que esta aproximación está funcionando muy bien en los sistemas considerados.

Correlación entre simulación y experimento.

"Al crear una visualización de los cálculos y comparar estas imágenes con fotos de experimentos, pudimos observar estos sistemas de mecánica cuántica directamente, ", dice Wlazłowski." La comparación de los resultados teóricos y experimentales arrojó excelentes correlaciones ". Esto permitió a los investigadores ofrecer pruebas de que su nuevo método para calcular el comportamiento de dichos sistemas funciona. El siguiente paso será que apliquen el método a los procesos que nunca será visible a simple vista, como los que se encuentran dentro de las estrellas de neutrones.

Otro hallazgo importante provino de las observaciones de los investigadores de tres patrones diferentes de desintegración de vórtices en los superfluidos. Según los investigadores, los diversos patrones de desintegración (ver figura) dependen de la polarización de espín de las partículas del sistema. También dicen que la polarización es causada por el efecto de succión de las partículas no apareadas en el gas superfluido. En otras palabras:la naturaleza intenta recolectar partículas desaparecidas en regiones, donde no obstaculizan el flujo. Los núcleos de vórtices cuantificados son lugares tales, y la polarización de los diferentes vórtices debería evitar que se unan nuevamente, o eso predicen los investigadores. Por lo tanto, asumen que los efectos de polarización tienen una influencia considerable en los fenómenos cuánticos y conducirán a nuevos, áreas de la física aún por descubrir. "Sin embargo, mostrar que reproducimos algunos datos no es suficiente. ¿Podemos predecir algo completamente nuevo? ", Se preguntó Wlazłowski. Para él, la siguiente barrera importante a superar será averiguar si el método tiene poder predictivo.

Este tipo de problema altamente complejo requiere una enorme potencia informática. Técnicamente, Los investigadores resuelven cientos de miles de Ecuaciones Diferenciales Parciales (PDE) tridimensionales acopladas no lineales dependientes del tiempo. Por esta razón, los autores del estudio presentaron una solicitud de tiempo de computación a la Asociación para la Computación Avanzada en Europa (PRACE) y se les otorgó acceso para usar Piz Daint en CSCS, porque, según los autores, en Europa solo Piz Daint puede manejar este tipo de cálculos.