Para algunos, el sonido de un "flujo perfecto" podría ser el suave lamido de un arroyo del bosque o tal vez el tintineo del agua que sale de un cántaro. Para los físicos, un flujo perfecto es más específico, refiriéndose a un fluido que fluye con la menor cantidad de fricción, o viscosidad, permitido por las leyes de la mecánica cuántica. Un comportamiento tan perfectamente fluido es raro en la naturaleza, pero se cree que ocurre en los núcleos de las estrellas de neutrones y en el plasma espeso del universo primitivo.

Ahora, los físicos del MIT han creado un fluido perfecto en el laboratorio, y escuché cómo las ondas sonoras viajan a través de él. La grabación es producto de un glissando de ondas sonoras que el equipo envió a través de un gas cuidadosamente controlado de partículas elementales conocidas como fermiones. Los tonos que se pueden escuchar son las frecuencias particulares en las que el gas resuena como una cuerda pulsada.

Los investigadores analizaron miles de ondas sonoras que viajan a través de este gas, para medir su "difusión de sonido, "o la rapidez con que el sonido se disipa en el gas, que se relaciona directamente con la viscosidad de un material, o fricción interna.

Asombrosamente, descubrieron que la difusión del sonido del fluido era tan baja que podía describirse mediante una cantidad de fricción "cuántica", dada por una constante de la naturaleza conocida como constante de Planck, y la masa de los fermiones individuales en el fluido.

Este valor fundamental confirmó que el gas fermión que interactúa fuertemente se comporta como un fluido perfecto, y es de naturaleza universal. Los resultados, publicado hoy en la revista Ciencias , demuestran la primera vez que los científicos han podido medir la difusión del sonido en un fluido perfecto.

Los científicos ahora pueden usar el fluido como modelo de otros flujos perfectos más complicados, para estimar la viscosidad del plasma en el universo temprano, así como la fricción cuántica dentro de las estrellas de neutrones, propiedades que de otro modo serían imposibles de calcular. Los científicos incluso podrían predecir aproximadamente los sonidos que hacen.

"Es bastante difícil escuchar una estrella de neutrones, "dice Martin Zwierlein, el Profesor Thomas A. Franck de Física en el MIT. "Pero ahora podrías imitarlo en un laboratorio usando átomos, agita esa sopa atómica y escúchala, y saber cómo sonaría una estrella de neutrones ".

Si bien una estrella de neutrones y el gas del equipo difieren ampliamente en términos de su tamaño y la velocidad a la que viaja el sonido, a partir de algunos cálculos aproximados, Zwierlein estima que las frecuencias de resonancia de la estrella serían similares a las del gas, e incluso audible:"si pudieras acercar la oreja sin ser desgarrado por la gravedad, " él añade.

Los coautores de Zwierlein son el autor principal Parth Patel, Zhenjie Yan, Biswaroop Mukherjee, Richard Fletcher, y Julian Struck del MIT-Harvard Center for Ultrafold Atoms.

Grifo, escucha, aprender

Para crear un fluido perfecto en el laboratorio, El equipo de Zwierlein generó un gas de fermiones que interactúan fuertemente:partículas elementales, como los electrones, protones, y neutrones, que se consideran los componentes básicos de toda la materia. Un fermión se define por su giro medio entero, una propiedad que evita que un fermión asuma el mismo giro que otro fermión cercano. Esta naturaleza exclusiva es la que posibilita la diversidad de estructuras atómicas que se encuentran en la tabla periódica de elementos.

"Si los electrones no fueran fermiones, pero feliz de estar en el mismo estado, hidrógeno, helio, y todos los átomos, y nosotros mismos, se vería igual, como algo terrible, sopa aburrida, "Dice Zwierlein.

Los fermiones naturalmente prefieren mantenerse separados unos de otros. Pero cuando están hechos para interactuar fuertemente, pueden comportarse como un fluido perfecto, con muy baja viscosidad. Para crear un fluido tan perfecto, los investigadores utilizaron por primera vez un sistema de láseres para atrapar un gas de átomos de litio-6, que se consideran fermiones.

Los investigadores configuraron con precisión los láseres para formar una caja óptica alrededor del gas fermión. Los láseres estaban ajustados de tal manera que cada vez que los fermiones golpeaban los bordes de la caja, rebotaban en el gas. También, las interacciones entre fermiones se controlaron para que fueran tan fuertes como lo permitía la mecánica cuántica, para que dentro de la caja, los fermiones tenían que chocar entre sí en cada encuentro. Esto hizo que los fermiones se convirtieran en un fluido perfecto.

"Tuvimos que hacer un fluido con densidad uniforme, y solo entonces podríamos hacer tapping en un lado, escucha al otro lado, y aprende de ello, "Dice Zwierlein." De hecho, fue bastante difícil llegar a este lugar donde podíamos usar el sonido de esta manera aparentemente natural ".

"Fluye de una manera perfecta"

Luego, el equipo envió ondas de sonido a través de un lado de la caja óptica simplemente variando el brillo de una de las paredes. para generar vibraciones de sonido a través del fluido a frecuencias particulares. Grabaron miles de instantáneas del fluido a medida que cada onda sonora pasaba.

"Todas estas instantáneas juntas nos dan una ecografía, y es un poco como lo que se hace cuando se hace una ecografía en el consultorio del médico, "Dice Zwierlein.

En el final, pudieron observar la ondulación de la densidad del fluido en respuesta a cada tipo de onda sonora. Luego buscaron las frecuencias de sonido que generaban una resonancia, o un sonido amplificado en el fluido, similar a cantar en una copa de vino y encontrar la frecuencia con la que se rompe.

"La calidad de las resonancias me dice acerca de la viscosidad del fluido, o difusividad del sonido, "Explica Zwierlein." Si un fluido tiene baja viscosidad, puede generar una onda de sonido muy fuerte y ser muy fuerte, si se golpea con la frecuencia correcta. Si es un fluido muy viscoso, entonces no tiene buenas resonancias ".

De sus datos, los investigadores observaron resonancias claras a través del fluido, particularmente a bajas frecuencias. De la distribución de estas resonancias, calcularon la difusión del sonido del fluido. Este valor, ellos encontraron, también se podría calcular de manera muy simple a través de la constante de Planck y la masa del fermión promedio en el gas.

Esto les dijo a los investigadores que el gas era un fluido perfecto, y fundamental en la naturaleza:su difusión sonora, y por tanto su viscosidad, estaba en el límite más bajo posible establecido por la mecánica cuántica.

Zwierlein dice que además de usar los resultados para estimar la fricción cuántica en materia más exótica, como las estrellas de neutrones, Los resultados pueden ser útiles para comprender cómo se pueden fabricar ciertos materiales para exhibir la perfección, flujo superconductor.

"Este trabajo se conecta directamente a la resistencia en materiales, "Dice Zwierlein." Habiendo descubierto cuál es la resistencia más baja que podría tener un gas, nos dice lo que puede suceder con los electrones en los materiales, y cómo se podrían fabricar materiales en los que los electrones pudieran fluir de manera perfecta. Eso es emocionante."