Investigadores de la Facultad de Ingeniería FAMU-FSU y del Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético tienen una nueva perspectiva sobre la formación de vórtices en un tipo de fluido cuántico, trabajo que podría ayudar a nuestra comprensión del misterio de la física de cómo se forman los cúmulos de vórtices y proporcionar una comprensión valiosa del movimiento de remolino atmosférico en planetas como la Tierra y Júpiter.

Los investigadores revelaron una explicación alternativa para la formación de los llamados vórtices de Onsager en un superfluido bidimensional, un tipo de fluido cuántico que puede fluir sin fricción. Sus hallazgos fueron publicados en Cartas de revisión física .

"Este hallazgo nos da una nueva explicación de cómo podrían formarse estos vórtices y es un paso importante para continuar mejorando nuestra comprensión de la física cuántica". "dijo Wei Guo, profesor asociado de ingeniería mecánica e investigador principal del estudio.

En 1949, El premio Nobel Lars Onsager propuso una teoría simple relacionada con nuestra comprensión del movimiento giratorio en fluidos turbulentos 2D, que son fluidos obligados a moverse en un espacio bidimensional.

La teoría de Onsager dice que cuando se agrega energía constantemente a un fluido turbulento 2D con pequeños remolinos caóticos (formalmente llamados vórtices), esos remolinos que giran en la misma dirección se agruparían para formar remolinos persistentes a gran escala cuando la energía es lo suficientemente alta. Estos grupos o remolinos a gran escala se conocen como "vórtices de Onsager". La Gran Mancha Roja de Júpiter es un buen ejemplo.

"La teoría de Onsager requiere que se agregue energía al fluido 2D, "Dijo Guo." Sin embargo, publicaciones recientes revelaron que en 2D Bose-Einstein Condensates (BECs), Los vórtices de Onsager pueden aparecer espontáneamente sin entrada de energía. Nos propusimos hacer más investigaciones sobre estos sorprendentes resultados ".

BEC es un estado de la materia en el que un láser o una trampa magnética confinan átomos o moléculas idénticos y se enfrían hasta casi el cero absoluto. Las partículas en el estado BEC ocupan el mismo nivel de energía mecánica cuántica y pueden exhibir comportamientos superfluidos, como fluir sin la aparente pérdida de energía cinética y rotar alrededor de pequeños tubos huecos llamados tubos de vórtice. Con una trampa adecuada, un BEC puede limitarse a tener una forma de disco cuasi-2D, es decir, una forma con un grosor pequeño pero un radio grande. Los tubos de vórtice en un BEC 2D aparecen como pequeños remolinos de puntos, que puede servir como un banco de pruebas ideal para la teoría de Onsager.

"Una explicación bien aceptada de la aparición espontánea de vórtices Onsager en BEC de disco 2D es el mecanismo de calentamiento por evaporación, "Dijo Guo." Este mecanismo se refiere a lo que los físicos llaman aniquilación de vórtices, que es cuando un par de vórtices con rotaciones opuestas se fusionan y desaparecen, al igual que una carga positiva se neutraliza con una carga negativa ".

"Mientras los vórtices se aniquilan, la energía por vórtice aumenta, que conduce a la formación de vórtices de Onsager, "dijo Toshiaki Kanai, un estudiante de investigación de posgrado que trabaja con Guo en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético.

Sin embargo, en una simulación numérica realizada por Kanai y Guo mientras estudiaban el movimiento de remolino turbulento en 2D, con BEC confinados en la superficie de una esfera, encontraron que los vórtices de Onsager nunca se formaron a pesar de las aniquilaciones de los pares de vórtices. Luego, los investigadores llevaron a cabo un estudio comparativo de la dinámica del vórtice tanto en BEC de disco como en BEC de capa esférica.

"Finalmente descubrimos que la formación espontánea de los vórtices de Onsager no se debe al mecanismo de calentamiento por evaporación bien aceptado, "Dijo Guo." El verdadero mecanismo es la salida de los vórtices del límite 2D BEC ".

El disco BEC tiene una circunferencia por donde pueden salir los vórtices, mientras que el caparazón esférico BEC no tiene límites. Por lo tanto, Los vórtices de Onsager se observan solo en los discos BEC, pero no en las capas esféricas de BEC, según los investigadores.

"La identificación del verdadero mecanismo para la formación espontánea de vórtices de Onsager en BEC 2D representa un avance importante en nuestra comprensión de la turbulencia de superfluidos 2D, "Dijo Guo." Nuestros hallazgos sobre los vórtices puntuales en una esfera pueden representar un modelo conceptualmente interesante de una atmósfera planetaria, y estos hallazgos pueden probarse experimentalmente en el laboratorio espacial de la NASA ".

La NASA ha instalado recientemente un laboratorio de átomos fríos en la Estación Espacial Internacional, lo que ha hecho factible producir BEC en geometría de capa esférica. Los estudios experimentales futuros en gravedad cero podrían ayudar a avanzar la ciencia en este campo.