Una ilustración que muestra tubos de vórtice cuántico sometidos a aparente superdifusión. Los puntos blancos representan partículas atrapadas que los investigadores rastrearon para visualizar y rastrear el movimiento de los tubos. y las líneas rojas representan los patrones aleatorios que viajaron las partículas. Crédito:Cortesía de Wei Guo
El premio Nobel de Física Richard Feynman describió una vez la turbulencia como "el problema sin resolver más importante de la física clásica".
Comprender la turbulencia en fluidos clásicos como el agua y el aire es difícil en parte debido al desafío de identificar los vórtices que se arremolinan dentro de esos fluidos. La localización de los tubos de vórtice y el seguimiento de su movimiento podría simplificar enormemente el modelado de turbulencias.
Pero ese desafío es más fácil en los fluidos cuánticos, que existen a temperaturas lo suficientemente bajas como para que la mecánica cuántica, que se ocupa de la física en la escala de átomos o partículas subatómicas, gobierne su comportamiento.
En un nuevo estudio publicado en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , Los investigadores de la Universidad Estatal de Florida lograron visualizar los tubos de vórtice en un fluido cuántico, hallazgos que podrían ayudar a los investigadores a comprender mejor la turbulencia en los fluidos cuánticos y más allá.
"Nuestro estudio es importante no solo porque amplía nuestra comprensión de la turbulencia en general, sino también porque podría beneficiar los estudios de varios sistemas físicos que también involucran tubos de vórtice, como superconductores e incluso estrellas de neutrones, "dijo Wei Guo, profesor asociado de ingeniería mecánica en la Facultad de Ingeniería FAMU-FSU e investigador principal del estudio.
El equipo de investigación estudió el superfluido helio-4, un fluido cuántico que existe a temperaturas extremadamente bajas y puede fluir eternamente por un espacio estrecho sin fricción aparente.
El equipo de Guo examinó las partículas trazadoras atrapadas en los vórtices y observó por primera vez que a medida que aparecían los tubos de vórtice, se movieron en un patrón aleatorio y, de media, se alejó rápidamente de su punto de partida. El desplazamiento de estos trazadores atrapados pareció aumentar con el tiempo mucho más rápido que en la difusión molecular regular, un proceso conocido como superdifusión.
Analizar lo que sucedió los llevó a descubrir cómo las velocidades del vórtice cambiaron con el tiempo, que es información importante para el modelado estadístico de turbulencia de fluidos cuánticos.
Desde la izquierda, Wei Guo, profesor asociado de ingeniería mecánica en la Facultad de Ingeniería FAMU-FSU, y Yuan Tang, investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético, frente a la configuración experimental. Crédito:Cortesía de Wei Guo
"La superdifusión se ha observado en muchos sistemas, como el transporte celular en sistemas biológicos y los patrones de búsqueda de los cazadores-recolectores humanos, "Dijo Guo." Una explicación establecida de la superdifusión para las cosas que se mueven al azar es que ocasionalmente tienen desplazamientos excepcionalmente largos, que se conocen como vuelos de Lévy ".
Pero después de analizar sus datos, El equipo de Guo concluyó que la superdifusión de los trazadores en su experimento en realidad no fue causada por vuelos de Lévy. Algo más estaba sucediendo.
"Finalmente descubrimos que la superdifusión que observamos fue causada por la relación entre las velocidades de vórtice en diferentes momentos, "dijo Yuan Tang, investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético y autor de un artículo. "El movimiento de cada segmento de vórtice inicialmente parecía ser aleatorio, pero en realidad, la velocidad de un segmento en un momento se correlacionó positivamente con su velocidad en la siguiente instancia de tiempo. Esta observación nos ha permitido descubrir algunas propiedades estadísticas genéricas ocultas de una caótica maraña de vórtices aleatorios, que podría ser útil en múltiples ramas de la física ".
A diferencia de los fluidos clásicos, Los tubos de vórtice en helio-4 superfluido son objetos estables y bien definidos.
"Son esencialmente tornados diminutos que se arremolinan en una tormenta caótica pero con núcleos huecos extremadamente delgados, ", Dijo Tang." No se pueden ver a simple vista, ni siquiera con el microscopio más potente ".
"Para resolver esto, llevamos a cabo nuestros experimentos en el laboratorio de criogenia, donde agregamos partículas trazadoras en helio para visualizarlas, "añadió Shiran Bao, investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético y autor de un artículo.
Los investigadores inyectaron una mezcla de gas deuterio y helio en el helio superfluido frío. Tras la inyección, el gas deuterio solidificó y formó pequeñas partículas de hielo, que los investigadores utilizaron como trazadores en el fluido.
"Al igual que los tornados en el aire pueden absorber las hojas cercanas, nuestros trazadores también pueden quedar atrapados en los tubos de vórtice en helio cuando están cerca de los tubos, "Dijo Guo.
Esta técnica de visualización no es nueva y ha sido utilizada por científicos en laboratorios de investigación de todo el mundo. pero el gran avance que lograron estos investigadores fue desarrollar un nuevo algoritmo que les permitió distinguir los trazadores atrapados en los vórtices de los que no estaban atrapados.
