Los investigadores amplían la comprensión de la propagación de vórtices en superfluidos
Un equipo internacional de científicos, incluidos 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 nuevos conocimientos sobre la física que gobierna la turbulencia en los sistemas cuánticos de fluidos, como las estrellas de neutrones superfluidos.
En un artículo publicado en Cartas de exploración física, los investigadores crearon un modelo que describe la propagación y la velocidad de los tubos de vórtice en forma de tornado en superfluidos. Los tubos de vórtice son un ingrediente clave en 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 es poco entendido en fluidos cuánticos.
Este trabajo amplía un estudio anterior que informó resultados experimentales obtenidos en helio-4 superfluido en 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 remolinos que giran sin cesar.
«Al validar este modelo y mostrar que describe el movimiento de vórtices en un amplio rango de temperaturas, confirmamos 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 en el desarrollo de modelos teóricos avanzados de turbulencia cuántica de fluidos».
En el estudio previo, 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 esta investigación, el equipo usó partículas diminutas capturadas en los remolinos para rastrear su movimiento. Descubrieron que los vórtices se propagan mucho más rápido de lo que cabría esperar en función del movimiento aparentemente aleatorio de los tubos. Esta rápida propagación se conoce como superdifusión.
En el último trabajo, los investigadores construyeron un modelo numérico y usaron los resultados de su estudio anterior para validar la precisión del modelo al replicar los resultados experimentales. Esto les permitió predecir cómo se podrían formar y propagar los tubos de vórtice en superfluidos en un rango de temperatura más amplio. La simulación también produjo pruebas inequívocas que respaldan el mecanismo físico que propusieron los autores para explicar la superdifusión del vórtice observada.
Los investigadores tienen como objetivo comprender la turbulencia en los fluidos cuánticos para obtener beneficios de investigación básicos, así como su posible uso en aplicaciones prácticas, como la fabricación de nanocables. Los tubos de vórtice atraen las partículas que se agrupan en líneas increíblemente finas. El control de este proceso permite la fabricación de los llamados nanohilos, que tienen un espesor 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 del National High Magnetic Field. Laboratorio. «Nuestro trabajo podría 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 del editor, una designación para artículos particularmente importantes, interesantes y bien escritos.
Esta investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias y el Departamento de Energía de los Estados Unidos. El Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético de la Universidad Estatal de Florida, que cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias y el Estado de Florida, proporcionó recursos adicionales. Este trabajo también fue apoyado por la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia.
