Si una gota de crema cae de una cuchara a una taza de café que se arremolina, el remolino arrastra la gota a la rotación. Pero, ¿qué pasaría si el café no tuviera fricción, no hubiera forma de hacer girar la gota en un giro sincronizado?

Los superfluidos, también llamados fluidos cuánticos, aparecen en una amplia gama de sistemas y aplicaciones. Por ejemplo, los superfluidos cosmológicos se fusionan durante las fusiones de estrellas de neutrones, y los científicos utilizan helio superfluido para enfriar las máquinas de imágenes por resonancia magnética (IRM).

Los fluidos tienen propiedades únicas y útiles gobernadas por la mecánica cuántica, un marco que generalmente se usa para describir el reino de lo muy pequeño. Para superfluidos, sin embargo, estas propiedades de la mecánica cuántica dominan en un mayor, escala macroscópica. Por ejemplo, los superfluidos carecen de viscosidad, una especie de fricción interna que permite que el fluido resista y provoque movimiento.

Esta falta de viscosidad otorga a los líquidos habilidades inusuales, como viajar libremente a través de tuberías sin pérdida de energía o permanecer quieto dentro de un recipiente giratorio. Pero cuando se trata de movimiento de rotación, Los científicos luchan por comprender cómo los superfluidos rotativos transfieren el momento angular, una cualidad que habla de la rapidez con la que girarán los líquidos.

En un estudio reciente, Científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) colaboraron con científicos del Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético (MagLab) en Tallahassee, Florida, y la Universidad de la ciudad de Osaka en Japón para realizar simulaciones informáticas avanzadas de la fusión de superfluidos rotativos, revelando un peculiar mecanismo en forma de sacacorchos que impulsa los fluidos en rotación sin necesidad de viscosidad.

Cuando una gota de lluvia cae en un estanque, la viscosidad permite que la gota haga girar el agua circundante, generando vórtices o corrientes parásitas en el proceso. Este arrastre viscoso reduce la diferencia de movimiento entre los dos cuerpos. Un superfluido sin embargo, permite esta diferencia.

"Los átomos permanecen aproximadamente en el mismo lugar cuando los superfluidos transfieren el momento angular, a diferencia de las corrientes parásitas en los fluidos clásicos, "dijo Dafei Jin, un científico del Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne (CNM), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. "En lugar de a través de la convección de partículas, es más eficiente que los átomos superfluidos transfieran el momento angular a través de interacciones de la mecánica cuántica ".

Estas interacciones de la mecánica cuántica dan lugar a un efecto fascinante, exhibidos en las simulaciones del equipo realizadas utilizando el clúster de computadoras Carbon en CNM. Los científicos simularon la fusión de gotas giratorias y estacionarias de un estado superfluido de materia llamado Condensado de Bose-Einstein (BEC).

“Elegimos simular condensados ​​de Bose-Einstein porque son sistemas de superfluidos relativamente generales que muestran características compartidas por varios otros fluidos cuánticos, "dijo Wei Guo, profesor de la Universidad Estatal de Florida (FSU) e investigador del MagLab.

Toshiaki Kanai, un estudiante graduado de Guo's en el Departamento de Física de FSU, dirigió el diseño de las simulaciones, que modelan la interacción entre dos gotas BEC desde el momento en que entran en contacto hasta que se fusionan por completo. Tsubota Makoto, profesor de la Universidad de la ciudad de Osaka y experto en simulación de fluidos cuánticos, también contribuyó al diseño del proyecto y la interpretación de los resultados.

"Tuvimos la suerte de trabajar con Dafei Jin en CNM, que nos ayudó a resolver muchos desafíos técnicos, "dijo Guo, un colaborador de mucho tiempo con Jin, "y Argonne cuenta con clusters de computadoras y otros recursos computacionales que nos permitieron realizar la simulación de manera eficiente muchas veces bajo diferentes condiciones para obtener resultados sistemáticos".

A medida que las gotas se acercan unas a otras, la forma de sacacorchos aparece espontáneamente y se extiende en ambas gotas, creciendo en tamaño e influencia hasta que las dos gotas se mezclan y giran a la misma velocidad.

"No solo parece un sacacorchos, su funcionalidad es similar, también, ", dijo Jin." Transfiere el momento angular girando en las muestras, haciéndolos acelerar o ralentizar su rotación ".

El resultado de la simulación es aplicable a muchos sistemas BEC de laboratorio de varios tamaños, desde decenas de nanómetros hasta cientos de micrones, o millonésimas de metros. Los resultados también son válidos para sistemas de superfluidos más grandes. A pesar de las diferencias de escala, todos los sistemas superfluidos exhiben propiedades fundamentales comunes vinculadas a su naturaleza cuántica.

"Aunque nos centramos en un sistema muy pequeño, los resultados son generales, ", dijo Guo." La información que obtuvimos sobre cómo ocurren estas interacciones puede ayudar a los físicos a informar a los modelos de sistemas, desde átomos ultrafríos a nanoescala hasta superfluidos a escala cosmológica en sistemas astrofísicos ".

Por ejemplo, El helio superfluido puede existir en las escalas de centímetros y metros, y las BEC en las estrellas de neutrones pueden ser, bien, de tamaño astronómico. Cuando las estrellas de neutrones se fusionan, actúan como dos muy grandes, Gotas rotativas de superfluidos en algunos aspectos, y el descubrimiento del mecanismo de sacacorchos podría informar a los modelos astrofísicos de estas fusiones.

Los científicos esperan poner a prueba su descubrimiento teórico del mecanismo del sacacorchos a través de experimentos. Los líquidos cuánticos tienen implementaciones en sistemas de átomos fríos, superfluidos, superconductores y más, y la investigación científica básica de su comportamiento ayudará en el desarrollo de aplicaciones de estos sistemas.