Dos estudios australianos publicados esta semana ofrecen la primera prueba de una teoría de la turbulencia de 70 años.
"Los estudios confirman una teoría seminal de la formación de vórtices a gran escala a partir de turbulencias en el flujo de fluidos 2D, donde los vórtices grandes emergen de un aparente caos de vórtices más pequeños", dice el autor, el profesor Matt Davis, líder de FLEET en la Universidad dePapel de Queensland.
Los fluidos restringidos al flujo en dos dimensiones se pueden observar en sistemas que van desde electrones en semiconductores, a la superficie de las burbujas de jabón, a fenómenos atmosféricos como los ciclones.
"Una de las características comúnmente observadas en dicho flujo 2D es la formación de movimiento de remolino a gran escala del fluido a partir del movimiento de remolino inicialmente caótico típico del flujo turbulento, como la famosa Gran Mancha Roja de Júpiter", dice el líder del estudio de Monashautor, Shaun Johnstone.
La turbulencia, con su movimiento aparentemente aleatorio y caótico del fluido, es un problema notoriamente difícil, para el cual no hay una descripción teórica general. De hecho, el Clay Mathematics Institute ofrece un premio de un millón de dólares a cualquiera que presente unteoría de la turbulencia.
Sin embargo, existe una teoría simple, propuesta en 1949 por el premio Nobel Lars Onsager, para explicar la formación del movimiento de vórtice a gran escala a partir del flujo 2D inicialmente turbulento.
A pesar del atractivo de la imagen física de Onsager de la turbulencia 2D, solo puede hacer predicciones cuantitativas para un tipo especial de fluido: un 'superfluido', que fluye sin viscosidad ni resistencia, y que solo puede realizarse a temperaturas extremadamente bajas.Esto había dificultado la prueba de la teoría de Onsager, hasta ahora.
"El estudio es ampliamente relevante para el campo de investigación emergente de la física sin equilibrio, y más específicamente relevante para el estudio de superfluidos y superconductores", dice el autor Prof Kris Helmerson, quien trabaja con Johnstone en la Escuela de Física y Astronomía de Monash.
La nueva investigación se describe en dos documentos ciencia hoy, con un estudio experimental dirigido desde el nodo de la Universidad Monash de FLEET, y el otro dirigido desde una colaboración EQUS / FLEET en la Universidad de Queensland.
Por qué vórtices y turbulencia cuántica
La mayoría de las personas están familiarizadas con el concepto de vórtice: ya sea que la forma retorcida familiar de un tornado o el simple remolino que se forma en una bañera se escurre a través del desagüe.
Los vórtices también se producen en sistemas 2D donde no hay movimiento vertical, como en la superficie de los líquidos, o en sistemas atmosféricos como los ciclones. De hecho, los vórtices 2D cubren una amplia gama de sistemas, desde el movimiento superfluido de neutrones enla superficie de las estrellas de neutrones a la Corriente del Golfo del Océano Atlántico al movimiento de resistencia cero de los electrones en los superconductores de alta temperatura.
Durante 70 años, nuestra comprensión de tales sistemas de vórtices 2D se ha regido por la teoría de Lars Onsager de que a medida que se pone más energía en la mezcla caótica de pequeños vórtices en un sistema 2D turbulento, con el tiempo los vórtices que giran en la misma dirección se agruparíanpara formar vórtices más grandes y estables: el sistema se vuelve ordenado, en lugar de ser más caótico.
Para hacer que su teoría de 1949 sea matemáticamente manejable, Onsager consideró un superfluido, que afirmó que tendría vórtices "cuantizados" vórtices con momento angular cuantificado, un concepto desarrollado por Richard Feynman.
La teoría de Onsager describió la energía de un sistema turbulento 2D que se congrega en vórtices de gran energía, larga vida y gran escala. Este es un estado de equilibrio inusual donde la entropía disminuye en función de la energía, lo contrario de lo que consideraríamos "normal"'regímenes termodinámicos.
El equipo dirigido por Monash generó distribuciones de vórtices a un rango de temperaturas y observó su evolución posterior. Se observó que los estados que comenzaron con distribuciones de vórtices relativamente aleatorias comenzaron a ordenarse a sí mismos, como lo había descrito Onsager. El estudio de la Universidad de Queensland, enPor otro lado, generó directamente dos grandes grupos de vórtices, que fluyen en direcciones opuestas, probando la estabilidad de esta configuración altamente ordenada.
Ambos estudios experimentaron con el uso de condensados de Bose Einstein BEC, un estado cuántico que existe a temperaturas ultrabajas y en el que los efectos cuánticos se hacen visibles a escala macroscópica.
Los investigadores crearon turbulencias en condensados de átomos de rubidio con láser y observaron el comportamiento de los vórtices resultantes a lo largo del tiempo.
Ambos estudios ofrecen una gran promesa para futuros estudios de estructuras emergentes en sistemas cuánticos en interacción alejados del equilibrio.
Los estudios
Los dos estudios - "Grupos de vórtices gigantes en un fluido cuántico bidimensional" y "Evolución del flujo a gran escala de la turbulencia en un superfluido bidimensional" - fueron publicados en ciencia hoy
El estudio de la Universidad de Queensland fue dirigido por el Dr. Tyler Neely y la Prof. Halina Rubinzstein-Dunlop del Centro de Excelencia ARC para Sistemas Cuánticos de Ingeniería EQUS, con el apoyo teórico del Prof. Matt Davis y el Dr. Matt Reeves de FLEET junto con investigadores delCentro de Ciencia Cuántica de la Universidad de Otago, Nueva Zelanda. Además del apoyo del Consejo de Investigación Australiano, se recibió financiación del Centro Dodd-Walls para Tecnologías Fotónicas y Cuánticas NZ y el Fondo de la Sociedad Real de Nueva Zelanda Marsden.
Además de los investigadores de la Facultad de Física y Astronomía, el estudio de la Universidad de Monash incluyó a autores del Joint Quantum Institute, Universidad de Maryland. Este estudio también fue apoyado por el Consejo de Investigación de Australia.
Estudio de sistemas sin equilibrio
Si bien los resultados describen específicamente la turbulencia, un problema notoriamente difícil de describir teóricamente, son más ampliamente relevantes para la física sin equilibrio: la evolución de los sistemas lejos del equilibrio, en particular, el desarrollo de un flujo coherente a gran escala desdeponiendo energía en un sistema turbulento.
Durante siglos, los científicos han desarrollado una excelente comprensión de los sistemas en equilibrio. Pero lo que sucede con un sistema alejado del equilibrio sigue siendo uno de los grandes desafíos desconocidos de la física moderna de materiales.
En FLEET, los sistemas de no equilibrio se utilizan para seguir caminos de resistencia cero para la corriente eléctrica.
FLEET es un centro de investigación financiado por el Consejo de Investigación Australiano que reúne a más de cien expertos australianos e internacionales para desarrollar una nueva generación de productos electrónicos de energía ultra baja, motivados por la necesidad de reducir la energía consumida por la informática.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Centro de excelencia ARC en futuras tecnologías electrónicas de baja energía . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencias de revistas :
Cita esta página :