Figura 1. Expansión dentro de un fluido de vórtice. Un fluido de vórtice no uniforme se expande para formar un vórtice Rankine. (Los colores más oscuros representan alta densidad). Crédito:FLOTA
, Un estudio dirigido por Australia ha proporcionado nuevos conocimientos sobre el comportamiento de los superfluidos en rotación.
Una característica definitoria de los superfluidos es que exhiben vórtices cuantificados; solo pueden rotar con uno, o dos, u otra cantidad entera de rotación.
A pesar de esta diferencia clave con los fluidos clásicos, donde los vórtices pueden girar con cualquier fuerza, muchas características de la dinámica colectiva de los vórtices tanto en los fluidos clásicos como en los cuánticos son similares.
Sin embargo, En este estudio, el equipo FLEET de la Universidad de Queensland demuestra una marcada diferencia en el comportamiento entre los fluidos clásicos y cuánticos. Los autores consideran la expansión de los grupos de vórtices para mostrar que para cualquier disposición inicial de vórtices cuantificados, se formará un supervórtice "Rankine".
"El comportamiento de muchos vórtices en un superfluido suele ser caótico y difícil de describir teóricamente, "explica el autor principal Oliver Stockdale." Nuestro estudio supera este desafío al proporcionar una solución exacta a la dinámica del vórtice ".
La solución muestra que un grupo de vórtices quirales (vórtices que giran todos en la misma dirección) se expande para formar una distribución de densidad constante que tiene una forma similar a un sombrero de copa. Tal distribución de vórtices, conocido como vórtice Rankine, está prohibido en los fluidos clásicos debido a su viscosidad.
Figura 2. Una distribución de vórtice inicial gaussiana se expande para formar un vórtice Rankine. (Simulación numérica.). Crédito:FLOTA
Por qué todos los superfluidos finalmente se convierten en distribuciones de Rankine
"Los superfluidos tienen viscosidad cero y pueden soportar un vórtice Rankine, "explica Oliver." El resultado sorprendente de este hallazgo es que todas las distribuciones iniciales de vórtices, independientemente de cómo estén organizados, se expande para formar un vórtice Rankine. Este comportamiento equivalente a largo plazo se conoce como dinámica universal y demuestra el mecanismo de cómo un superfluido disipa su energía a través de vórtices cuantificados ".
Los autores emplean una teoría desarrollada recientemente que describe los propios vórtices como un fluido.
"Así como la hidrodinámica describe el comportamiento de muchas partículas de fluidos, se puede utilizar para describir el movimiento de muchos vórtices, que forman un 'fluido vórtice' dentro del fluido ordinario, "dice el coautor Matt Reeves.
"Sin embargo, el fluido del vórtice presenta tensiones "anómalas" adicionales; estas fuerzas adicionales surgen debido a la naturaleza de los vórtices que restringen su rotación para ser cuantificados. Los términos anómalos dan comportamientos fluidos inusuales, incluyendo una viscosidad que es negativa. Esencialmente, la viscosidad negativa provoca el comportamiento exactamente opuesto al normal, fluido clásico:intensifica los gradientes de densidad del vórtice, hasta que la distribución se convierta en un vórtice Rankine ". En la figura 1 se puede ver un ejemplo de expansión dentro de la teoría del fluido de vórtice, donde un fluido vórtice inicialmente no uniforme se expande para formar un vórtice Rankine.
Figura 3. El vórtice Rankine emerge después de que el cúmulo se expande en vórtices experimentales (resaltados por círculos blancos a la derecha). Crédito:FLOTA
Para respaldar sus hallazgos teóricos, los autores simulan computacionalmente la dinámica de miles de vórtices. A diferencia de describir los vórtices como un fluido, estas simulaciones consideran cada vórtice como una entidad individual. Al igual que con la teoría del fluido vórtice, los autores encuentran que cualquier distribución de vórtice inicial se expande para formar un vórtice Rankine. Un ejemplo del resultado numérico se puede ver en la Fig.2, donde una distribución inicial gaussiana se expande para formar un vórtice Rankine.
Finalmente, los autores analizaron datos de un experimento que observó la expansión de un cúmulo de vórtices en un superfluido real, que fue creado usando átomos de rubidio ultrafríos.
"Si bien la teoría del fluido de vórtice asume que hay muchos vórtices presentes, el experimento solo pudo crear aproximadamente once vórtices. A pesar del bajo número de vórtices, hubo evidencia de que el vórtice Rankine surgió después de que el cúmulo se expandió, "explica el líder del proyecto, el profesor Matthew Davis. Los vórtices experimentales se pueden ver en la Fig. 3, como lo resaltan los círculos blancos.
Este estudio no solo demostró la primera solución a la complicada teoría del fluido de vórtice, proporcionó la primera prueba experimental de la teoría. El experimento predijo cuantitativamente las características clave de la teoría y demostró una plataforma para probar más las propiedades del vórtice Rankine, como predicciones de que admite un efecto Hall cuántico de fracción analógica.
Los vórtices son un fenómeno omnipresente en los sistemas superfluidos. Para trabajar hacia el objetivo de FLEET de producir un transistor superfluido ultraeficiente, Se necesita una comprensión más completa de cómo se comportan los vórtices en los superfluidos que fluyen. Este estudio del equipo FLEET es un paso hacia tal transistor.
El papel, "Dinámica universal en la expansión de cúmulos de vórtices en un superfluido bidimensional disipativo, "fue publicado en Investigación de revisión física en julio de 2020.
