Extraños vórtices cuánticos… Un equipo de investigación de la Universidad de Osakane realizó un estudio reciente, que levanta el velo sobre un enigma que tiene más de cuarenta años. Ella publicó en NaturalezaComunicaciones un estudio de la interacción entre un vórtice cuántico y un fluido como el superfluido helio-4.
Se crean vórtices cuánticos en superfluidos
Un vórtice es un remolino que se forma durante el flujo turbulento de partículas o fluidos que giran alrededor de un eje virtual instantáneo. Para entender completamente esta definición del vórtice, nada mejor que una analogía. Mire lo que sucede cuando quita la obstrucción del fondo de una tina llena de agua. En algún momento durante el flujo de agua, se forma un remolino en el orificio de drenaje de la bañera.
Este tipo de turbulencia también existe en el océano y la atmósfera cuando se forman los tornados. Este es también el caso de las puntas de las alas de un avión, por nombrar solo algunos ejemplos. En aviación, este vórtice se llama vórtice de punta o Vórtice de Prandtl. Estos vórtices constituyen las estructuras de un flujo turbulento y pueden recombinarse fácilmente. No es raro observar tornados, llamados tornados satélite, uniéndose y fusionándose con el tornado principal en la naturaleza.
Por lo tanto, los vórtices pueden ocurrir en el mundo clásico. Además, también pueden formarse en el mundo cuántico dentro de fluidos específicos llamados superfluidos. Los superfluidos son líquidos o gases que se vuelven infinitamente fluidos por debajo de cierta temperatura. Dentro de un tubo delgado, por ejemplo, un superfluido fluye sin fricción. En realidad, gracias a los efectos cuánticos, la viscosidad de los superfluidos es cero. Los vórtices que pueden ocurrir cuando se agita un superfluido se denominan vórtices cuánticos.
Estos vórtices cuánticos se han estudiado en laboratorios durante varios años. El helio enfriado a una temperatura muy baja (-271°C) o el núcleo de una estrella de neutrones está hecho de un superfluido.
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El estado superfluido del helio
El helio, que es un gas a temperatura ambiente, se convierte en líquido con un comportamiento sorprendente a medida que se acerca al cero absoluto.
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El helio 4, denominado 4He, es el isótopo que se encuentra con mayor frecuencia en la Tierra. Está formado por la desintegración alfa natural de elementos radiactivos más pesados. Este helio se produjo notablemente en cantidades muy grandes durante un fenómeno hipotético conocido como nucleosíntesis primordial. Es un fenómeno de síntesis de núcleos atómicos. Habría ocurrido durante los primeros 20 minutos posteriores al Big Bang. Como recordatorio, el isótopos de un elemento químico comparten el mismo número de protones y electrones, pero diferente número de neutrones.
Al refrescarse helio 4, que es gaseoso a temperatura normal, a una temperatura inferior a -271°C, se licua. Pero a temperaturas cercanas al cero absoluto, que se establece en -273°C, el helio-4 licuado exhibe características bastante sorprendentes. No solo se vuelve líquido. En realidad, entra en un estado de fase fluida llamado He II. Este último consiste en la superposición de un fluido normal y un superfluido. Interactúan entre sí por fricción mutua entre el fluido normal y los vórtices cuánticos que surgen en el superfluido.
Los investigadores han tratado durante mucho tiempo de comprender cómo estos vórtices cuánticos en constante movimiento interactúan con el fluido normal. Propusieron muchos modelos teóricos durante muchos años sin éxito real. Además, los físicos hasta ahora nunca han podido ponerse de acuerdo sobre el modelo correcto.
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Un estudio numérico de la interacción entre vórtices cuánticos en superfluido y fluido normal
Investigadores de la Universidad Metropolitana de Osaka y la Universidad de Keio en Japón, en cooperación con colegas de la Universidad Estatal de Florida, acaban de estudiar la interacción entre un vórtice cuántico creado en un superfluido y un fluido normal utilizando un modelo numérico.
Los investigadores buscaron elegir el modelo teórico más coherente entre todos los propuestos hasta el momento. Para ello, utilizaron muchos resultados experimentales. Observaron que el modelo que considera cambios en el fluido normal e incorpora fricción mutua fue el modelo más consistente con los resultados experimentales.
El profesor Tsubota, del Departamento de Física de la Universidad Metropolitana de Osaka en Japón, ha estado estudiando los vórtices cuánticos y sus interacciones con los fluidos normales durante casi 40 años. Los investigadores confiaron en los enormes avances de la informática y las posibilidades de la simulación digital. Gracias a esto, lograron lograr un progreso considerable en esta área hoy.
Los resultados innovadores de esta investigación se deben en parte a los avances tecnológicos. Ofrecen información importante sobre la compleja dinámica del helio superfluido. Además, avanzan en la comprensión de los fenómenos cuánticos que reinan en este mundo de lo infinitamente pequeño.
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