Un equipo internacional de científicos con investigadores de la Universidad Estatal de Florida ha desarrollado un modelo que predice la propagación de vórtices en los llamados superfluidos, un trabajo que proporciona una nueva perspectiva de la física que gobierna la turbulencia en los sistemas de fluidos cuánticos, como las estrellas de neutrones superfluidos.

En un artículo publicado en Physical Review Letters , los investigadores crearon un modelo que describe la propagación y la velocidad de los tubos de vórtice similares a tornados en superfluidos. Los tubos de vórtice son un ingrediente clave de la turbulencia, que se estudia ampliamente en la física clásica. El movimiento de los tubos de vórtice es relevante en una amplia gama de escenarios, como la formación de huracanes, la transmisión de virus por el aire y la mezcla química en la formación de estrellas. Pero no se comprende bien en los fluidos cuánticos.

Este trabajo amplía un estudio anterior que informó resultados experimentales obtenidos en helio-4 superfluido dentro de un rango de temperatura estrecho. Los superfluidos son líquidos que pueden fluir sin resistencia y, por lo tanto, sin pérdida de energía cinética. Cuando se agitan, forman vórtices que giran indefinidamente.

"Al validar este modelo y mostrar que describe el movimiento de vórtices en un amplio rango de temperaturas, estamos confirmando una regla universal para este fenómeno", dijo Wei Guo, profesor asociado de ingeniería mecánica en la Facultad de Ingeniería FAMU-FSU. . "Este descubrimiento puede ayudar al desarrollo de modelos teóricos avanzados de turbulencia cuántica de fluidos".

En el estudio anterior, Guo y su equipo rastrearon los tubos de vórtice que aparecieron en el superfluido helio-4, un fluido cuántico que existe a temperaturas extremadamente bajas. En esa investigación, el equipo usó partículas diminutas que quedaron atrapadas en los vórtices para rastrear su movimiento. Descubrieron que los vórtices se extendían mucho más rápido de lo que cabría esperar basándose en el movimiento aparentemente aleatorio de los tubos. Esta rápida propagación se conoce como superdifusión.

En el último trabajo, los investigadores construyeron un modelo numérico y utilizaron los hallazgos de su estudio anterior para validar la precisión del modelo mediante la reproducción de resultados experimentales. Eso les permitió predecir cómo se podrían formar y propagar los tubos de vórtice dentro de los superfluidos en un rango de temperatura más amplio. La simulación también produjo evidencia inequívoca que apoya el mecanismo físico que los autores propusieron para explicar la superdifusión del vórtice observado.

Los investigadores tienen como objetivo comprender la turbulencia en los fluidos cuánticos para los beneficios básicos de la investigación, así como para su posible uso en aplicaciones prácticas, como la fabricación de nanocables. Los tubos de vórtice atraen partículas que se agrupan en líneas increíblemente finas. El control de ese proceso permite la fabricación de los llamados nanocables, que tienen un grosor medido en nanómetros.

"La dispersión de partículas en el flujo turbulento es un tema muy activo en el campo de la turbulencia clásica, pero ha recibido menos atención en la comunidad de fluidos cuánticos", dijo Yuan Tang, coautor principal e investigador postdoctoral en la Universidad Nacional con sede en la FSU. Laboratorio de Alto Campo Magnético. "Nuestro trabajo puede estimular más investigaciones futuras sobre la dispersión de partículas en fluidos cuánticos".

Los coautores del artículo incluyen a Satoshi Yui y Makoto Tsubota de la Universidad Metropolitana de Osaka, Japón, e Hiromichi Kobayashi de la Universidad de Keio, Japón. Este artículo fue seleccionado por Physical Review Letters como sugerencia de los editores. + Explora más

Investigadores de ingeniería visualizan el movimiento de vórtices en turbulencia superfluida