Una estructura de anillo de vórtice simulada en helio superfluido. Crédito: Cortesía de Wei Guo
Los científicos han logrado un gran avance en el estudio de los superfluidos. Su investigación respalda el modelo S2W recientemente propuesto de movimiento de vórtice en helio superfluido, lo que abre posibles aplicaciones en otros sistemas de fluidos cuánticos.
El enigma de los superfluidos
Los superfluidos presentan un tema fascinante en el campo de investigación de la física moderna. Gobernadas por los principios de la mecánica cuántica y celebradas por su flujo sin fricción, estas fascinantes sustancias han despertado la curiosidad de los científicos debido a sus propiedades únicas y sus amplias aplicaciones potenciales.
Estudio innovador sobre superfluidos
En un estudio histórico, los investigadores de la Facultad de Ingeniería FAMU-FSU, dirigidos por el profesor Wei Guo, lograron avances significativos en la exploración del movimiento de los vórtices dentro de estos fluidos cuánticos. Su investigación sobre el movimiento de los anillos de vórtice en helio superfluido se publicó en Comunicaciones de la naturaleza. Es importante destacar que ofrece pruebas convincentes que respaldan un modelo teórico propuesto recientemente de vórtices cuantificados.
El profesor Guo expresó: «Nuestros hallazgos resuelven preguntas de larga data y mejoran nuestra comprensión de la dinámica de vórtices dentro del superfluido».
Yuan Tang, investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético, con sede en la Universidad Estatal de Florida. Crédito: Universidad Estatal de Florida
Vórtices cuantificados en superfluidos
Un atributo distintivo de los superfluidos es la existencia de vórtices cuantificados. Estos son tubos delgados y huecos que se asemejan a tornados en miniatura. Desempeñan un papel clave en una variedad de fenómenos, desde la turbulencia en el helio superfluido hasta las irregularidades en la rotación de las estrellas de neutrones. Sin embargo, predecir con precisión el movimiento de estos vórtices sigue siendo una tarea difícil de alcanzar.
En un esfuerzo por solucionar este problema, el equipo de investigación empleó partículas trazadoras de deuterio solidificadas que habían quedado atrapadas en los anillos del vórtice. Al iluminar estas partículas con un láser de imágenes en forma de hoja, el equipo pudo capturar imágenes precisas y cuantificar el movimiento de las partículas.
Validación del Modelo S2W
El equipo también realizó una serie de simulaciones usando una variedad de modelos teóricos. Los resultados indicaron que solo el modelo bidireccional autoconsistente sugerido recientemente, conocido como modelo S2W, reproduce con precisión el movimiento observado de los anillos de vórtice. Según el modelo S2W, el anillo debería encogerse a medida que interactúa con el entorno térmico, aunque a un ritmo más lento de lo previsto por las teorías anteriores.
El investigador postdoctoral Yuan Tang en Universidad Estatal de FloridaEl Laboratorio Magnético Nacional de Alto Campo, con sede, declaró: “Esto es exactamente lo que vimos. Esta investigación proporciona la primera evidencia experimental que respalda el modelo S2W”.
Wei Guo, profesor del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Ingeniería FAMU-FSU. Crédito: Universidad Estatal de Florida
Implicaciones y direcciones futuras
Las implicaciones de este descubrimiento van mucho más allá del helio superfluido. El modelo S2W validado ofrece perspectivas prometedoras para su uso en otros sistemas de fluidos cuánticos, como los condensados atómicos de Bose-Einstein y las estrellas de neutrones superfluidos.
Guo transmitió su entusiasmo: “Estamos entusiasmados con las posibilidades que ofrece el modelo S2W para futuros estudios. Ahora que hemos confirmado su validez para el helio superfluido, tenemos la intención de aplicar este modelo a otros sistemas de fluidos cuánticos y explorar nuevos desafíos científicos”.
Para obtener más información sobre esta investigación, consulte El gran misterio del movimiento de vórtice cuantificado.
Referencia: «Imágenes de anillos de vórtice cuantificados en helio superfluido para evaluar la disipación cuántica» por Yuan Tang, Wei Guo, Hiromichi Kobayashi, Satoshi Yui, Makoto Tsubota y Toshiaki Kanai, 23 de mayo de 2023, Comunicaciones de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41467-023-38787-w
La colaboración de investigación incluyó a los coautores Hiromichi Kobayashi de la Universidad de Keio, Makoto Tsubota y Satoshi Yui de la Universidad Metropolitana de Osaka, y el estudiante graduado de FSU Toshiaki Kanai.
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Gordon y Betty Moore y la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia.
