Si una gota de crema cae de una cuchara a una taza de café que gira, el remolino arrastra la gota para que gire. Pero, ¿qué pasaría si el café no tuviera fricción? ¿No hay forma de llevar la gota a un giro sincronizado?
Los superfluidos, también llamados fluidos cuánticos, aparecen en una amplia gama de sistemas y aplicaciones. Por ejemplo, los superfluidos cosmológicos se fusionan entre sí durante las fusiones de estrellas de neutrones, y los científicos usan helio superfluido para enfriar máquinas de resonancia magnética MRI.
Los fluidos tienen propiedades únicas y útiles regidas por la mecánica cuántica: un marco generalmente utilizado para describir el ámbito de lo muy pequeño. Sin embargo, para los superfluidos, estas propiedades de la mecánica cuántica dominan en una escala macroscópica más grande. Por ejemplo, los superfluidos carecen deviscosidad, una especie de fricción interna que permite que el fluido resista y provoque movimiento.
Esta falta de viscosidad otorga a los líquidos habilidades inusuales, como viajar libremente a través de tuberías sin pérdida de energía o permanecer aún dentro de un contenedor giratorio. Pero cuando se trata de movimiento de rotación, los científicos luchan por comprender cómo los superfluidos rotativos transfieren el momento angular -una cualidad que habla de qué tan rápido girarán los líquidos.
En un estudio reciente, científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE colaboraron con científicos del Laboratorio Nacional de Campo Magnético Alto MagLab en Tallahassee, Florida, y la Universidad de la Ciudad de Osaka en Japón para realizar simulaciones avanzadas por computadora defusionando superfluidos rotativos, revelando un peculiar mecanismo en forma de sacacorchos que impulsa los fluidos a rotar sin necesidad de viscosidad.
Cuando una gota de lluvia giratoria cae en un estanque, la viscosidad permite que la gota haga girar el agua circundante, generando vórtices o corrientes de Foucault en el proceso. Esta resistencia viscosa reduce la diferencia de movimiento entre los dos cuerpos. Sin embargo, un superfluido,permite esta diferencia
"Los átomos permanecen aproximadamente en el mismo lugar cuando los superfluidos transfieren el momento angular, a diferencia de las corrientes parásitas en los fluidos clásicos", dijo Dafei Jin, científico del Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne CNM, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia de la DOE."En lugar de a través de la convección de partículas, es más eficiente que los átomos superfluidos transfieran el momento angular a través de interacciones mecánicas cuánticas".
Estas interacciones de mecánica cuántica dan lugar a un efecto hipnótico, exhibido en las simulaciones del equipo realizadas usando el grupo de computadoras Carbon en CNM. Los científicos simularon la fusión de gotas rotativas y estacionarias de un estado superfluido de la materia llamado Condensado Bose-Einstein BEC.
"Elegimos simular condensados de Bose-Einstein porque son sistemas superfluidos relativamente generales que muestran características compartidas por otros fluidos cuánticos", dijo Wei Guo, profesor de la Universidad Estatal de Florida FSU e investigador del MagLab.
Toshiaki Kanai, un estudiante graduado de Guo en el Departamento de Física de la FSU, dirigió el diseño de las simulaciones, que modelan la interacción entre dos gotas BEC desde el momento en que entran en contacto hasta que se fusionan por completo. Tsubota Makoto, profesora en la ciudad de OsakaUniversidad y experta en simulación de fluidos cuánticos, también contribuyó al diseño del proyecto y la interpretación de los resultados.
"Fuimos particularmente afortunados de trabajar con Dafei Jin en CNM, quien nos ayudó a resolver muchos desafíos técnicos", dijo Guo, un colaborador de mucho tiempo con Jin, "y Argonne tiene grupos de computadoras y otros recursos computacionales que nos permitieron eficientementerealizar la simulación muchas veces bajo diferentes condiciones para obtener resultados sistemáticos "
A medida que las gotas se acercan entre sí, la forma de sacacorchos aparece espontáneamente y se extiende hacia ambas gotas, creciendo en tamaño e influencia hasta que las dos gotas se mezclan y giran a la misma velocidad.
"No solo se ve como un sacacorchos, su funcionalidad también es similar", dijo Jin. "Transfiere el momento angular al girar en las muestras, haciendo que aceleren o disminuyan su rotación".
El resultado de la simulación es aplicable a muchos sistemas BEC de laboratorio de varios tamaños, desde decenas de nanómetros hasta cientos de micras, o millonésimas de metros. Los resultados también son válidos para sistemas superfluidos más grandes. A pesar de las diferencias en escala, todos los sistemas superfluidos exhiben características comunes.propiedades fundamentales vinculadas a su naturaleza cuántica.
"Aunque nos enfocamos en un sistema muy pequeño, los resultados son generales", dijo Guo. "La percepción que obtuvimos sobre cómo ocurren estas interacciones puede ayudar a los físicos a informar modelos de sistemas desde átomos ultrafríos a nanoescala hasta superfluidos a escala cosmológica en sistemas astrofísicos"
Por ejemplo, el helio superfluido puede existir a escalas de centímetros y metros, y los BEC en las estrellas de neutrones pueden ser, bueno, de tamaño astronómico. Cuando las estrellas de neutrones se fusionan, actúan como dos gotas superfluidas giratorias muy grandes en algunos aspectos, yEl descubrimiento del mecanismo de sacacorchos podría informar a los modelos astrofísicos de estas fusiones.
Los científicos esperan probar su descubrimiento teórico del mecanismo del sacacorchos a través del experimento. Los líquidos cuánticos tienen implementaciones en sistemas de átomos fríos, superfluidos, superconductores y más, y la investigación científica básica de su comportamiento ayudará en el desarrollo de aplicaciones de estos sistemas.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Original escrito por Savannah Mitchem. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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