Mientras agita la leche en una taza de café, verá la turbulencia de los fluidos en acción, una mezcla rápida que ha desafiado la comprensión científica profunda.
Una colaboración entre investigadores de la Universidad de Otago, Nueva Zelanda y la Universidad de Queensland, Australia, se propuso aprender más sobre el enigma cotidiano de la turbulencia mediante el uso de las propiedades notables de los superfluidos, extraños fluidos cuánticos capaces de fluir sin fin sin ningún tipo defricción.
Los hallazgos innovadores del equipo, recién publicados en ciencia puede tener implicaciones para nuestra comprensión de los plasmas de quark-gluón, los electrones en los sólidos y la persistencia de la Gran Mancha Roja de Júpiter, o podría ayudar a crear un transporte más eficiente.
El coautor, el Dr. Ashton Bradley, investigador principal del Centro Dodd-Walls para tecnologías fotónicas y cuánticas, dice que el grupo observó estados de temperatura negativa nunca vistos de vórtices cuánticos en un experimento.
"A pesar de ser importantes para la comprensión moderna de los fluidos turbulentos, estos estados nunca se han observado en la naturaleza. Contienen energía significativa, pero parecen estar muy ordenados, desafiando nuestras nociones habituales de desorden en la mecánica estadística", dice el Dr. Bradley.
Describe entender la turbulencia de fluidos como un problema desafiante.
"A pesar de una larga historia de estudio, la naturaleza caótica de la turbulencia ha desafiado una comprensión profunda. Tanto es así, que la necesidad de una descripción completa ha sido reconocida como uno de los 'Problemas del Milenio' no resueltos del Clay Mathematics Institute.
"La turbulencia fluida juega un papel importante en nuestra vida cotidiana: aproximadamente el 30 por ciento de las emisiones de carbono provienen del transporte, y la turbulencia fluida desempeña un papel importante. Una comprensión más profunda de la turbulencia puede ayudar a crear un mundo más sostenible al mejorar el transporteeficiencias."
Un aspecto interesante de la turbulencia es que tiene propiedades universales, lo que significa que los sistemas turbulentos en una escala desde longitudes microscópicas a planetarias parecen compartir descripciones y características similares.
El Premio Nobel Lars Onsager presentó una teoría del juguete para la turbulencia bidimensional en 1949. En pocas palabras, establece que si agrega suficiente energía a un sistema 2D, la turbulencia dará como resultado la aparición de vórtices gigantes, al igual que enLa atmósfera de Júpiter.
Sin embargo, su teoría solo se aplica directamente a los superfluidos, donde los vórtices rotan en pasos discretos cuánticos y son casi como partículas.
Setenta años después, la colaboración Queensland-Otago ha observado las predicciones de Onsager.
El Dr. Bradley dice que utilizaron el alto grado de control disponible en el laboratorio de condensación Bose-Einstein en el Centro de Excelencia para Sistemas Cuánticos de Ingeniería de Queensland, utilizando tecnología de manipulación óptica pionera allí.
Crearon un superfluido enfriando un gas de átomos de rubidio a una temperatura casi absoluta y manteniéndolo en el foco de los rayos láser. Las técnicas ópticas desarrolladas les permiten remover con precisión los vórtices en el fluido, al igual que la leche.en tu café.
El autor principal, el Dr. Tyler Neely, de Queensland, dice que lo "sorprendente" es que el grupo logró esto con luz y a una escala tan pequeña.
"Los núcleos de los vórtices creados en nuestro sistema son solo aproximadamente 1/10 del diámetro de una célula sanguínea humana", dice.
Uno de los aspectos más extraños de la teoría de Onsager es que cuanta más energía agregue al sistema de vórtices, más concentrados se vuelven los vórtices gigantes. Resulta que si considera los vórtices como un gas de partículas que se mueve dentro del superfluido, los grupos de vórtices existen en estados de temperatura absolutamente negativos, por debajo del cero absoluto.
"Este aspecto es realmente extraño. Los sistemas de temperatura negativa absoluta a veces se describen como 'más calientes que calientes' porque realmente quieren entregar su energía a cualquier sistema normal a temperatura positiva. Esto también significa que son extremadamente frágiles".
"Nuestro estudio contrarresta esta intuición al mostrar que, dado que los vórtices están suficientemente aislados dentro del superfluido, los grupos de vórtices de temperatura negativa pueden persistir durante casi diez segundos", dice el Dr. Neely.
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Materiales proporcionado por Universidad de Otago . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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