Todo fluido (desde la atmósfera de la Tierra hasta la sangre que bombea a través del cuerpo humano) tiene viscosidad, una característica cuantificable que describe cómo se deformará el fluido cuando encuentre otra materia. Si la viscosidad es mayor, el fluido fluye tranquilamente, estado conocido como laminar. Si la viscosidad disminuye, el fluido sufre la transición de flujo laminar a turbulento.
El grado de flujo laminar o turbulento se denomina número de Reynolds, que es inversamente proporcional a la viscosidad. La ley de similitud dinámica de Reynolds, también conocida como similitud de Reynolds, establece que si dos fluidos fluyen alrededor de estructuras similares con diferentes escalas de longitud, son hidrodinámicamente idénticos, siempre que presenten el mismo número de Reynolds.
Sin embargo, esta similitud de Reynolds no se aplica a los superfluidos cuánticos, ya que no tienen viscosidad, al menos eso es lo que los investigadores han creído. Ahora, un investigador del Instituto Nambu Yoichiro de Física Teórica y Experimental de la Universidad Metropolitana de Osaka en Japón ha teorizado una forma de examinar la similitud de Reynolds en superfluidos, lo que podría demostrar la existencia de viscosidad cuántica en superfluidos.
El Dr. Hiromitsu Takeuchi, profesor de la Escuela de Graduados en Ciencias de la Universidad Metropolitana de Osaka, publicó su enfoque en Physical Review B. .
"Los superfluidos han sido considerados durante mucho tiempo una excepción obvia a la similitud de Reynolds", dijo el Dr. Takeuchi, explicando que la ley de similitud de Reynolds establece que si dos flujos tienen el mismo número de Reynolds, entonces son físicamente idénticos. "El concepto de viscosidad cuántica anula el sentido común de la teoría de los superfluidos, que tiene una larga historia de más de medio siglo. Establecer similitudes en los superfluidos es un paso esencial para unificar la hidrodinámica clásica y la cuántica."
Sin embargo, los superfluidos cuánticos pueden tener turbulencia, lo que resulta en un dilema cuántico:la turbulencia en los fluidos requiere disipación, entonces, ¿cómo puede la turbulencia de los superfluidos experimentar disipación sin viscosidad? Deben tener disipación y pueden seguir la similitud de Reynolds, pero aún no se ha desarrollado el enfoque correcto para examinarlo.
Estas características podrían examinarse, teoriza el Dr. Takeuchi, analizando cómo una esfera sólida cae en un superfluido. Combinando la velocidad terminal de la caída de la esfera con la resistencia que la esfera encuentra en el fluido mientras cae, los investigadores pueden determinar un análogo de la similitud de Reynolds. Esto significa que se puede medir la viscosidad efectiva, llamada viscosidad cuántica.
"Este estudio se centra en una cuestión teórica en la comprensión de la turbulencia cuántica en los superfluidos y muestra que la similitud de Reynolds en los superfluidos se puede verificar midiendo la velocidad terminal de un objeto que cae en un superfluido", dijo el Dr. Takeuchi.
"Si se puede realizar esta verificación, entonces esto sugiere que la viscosidad cuántica existe incluso en superfluidos puros en el cero absoluto. No puedo esperar a verla verificada mediante experimentación".
Más información: Hiromitsu Takeuchi, Viscosidad cuántica y similitud de Reynolds de un superfluido puro, Revisión física B (2024). DOI:10.1103/PhysRevB.109.L020502
Información de la revista: Revisión física B
Proporcionado por la Universidad Metropolitana de Osaka
