Los Vórtices Cuánticos Ultrafríos Son una Prueba de la Superfluidez

^{Crédito: Ella Maru Studio} 

^{Por: Amal Pushp, Físico Afiliado de Resonance Science Foundation} 

Un vórtice es un fenómeno físico de la dinámica de fluidos en el que los flujos de una región de un fluido giran alrededor de un eje fijo. A nivel macroscópico, los vórtices se observan fácilmente como remolinos, tornados y anillos de humo, pero también se forman en regímenes microscópicos como objetos cuantizados. En el primer caso, las leyes clásicas rigen por completo la dinámica de los vórtices, pero en el segundo, existe una desviación del comportamiento clásico al cuántico, ya que la temperatura a la que existen los fluidos cuánticos es lo suficientemente baja como para que predominen las leyes de la mecánica cuántica. 

Los vórtices presentan un movimiento dinámico y también se caracterizan por ciertas propiedades físicas como la masa, la energía y el momento lineal y angular. Trabajos anteriores han revelado múltiples facetas de los vórtices y sus interacciones en diferentes condiciones físicas. Citando algunos casos, los físicos han descubierto tubos de vórtices en fluidos cuánticos que revelan información interesante sobre la turbulencia [1]. Además, también se han producido vórtices a partir de átomos individuales [2], y recientemente los investigadores han informado de que la estructura de los agujeros negros podría modelarse como la de un vórtice [3]. 

Aparte de los descubrimientos relacionados con los vórtices mencionados anteriormente, también se han observado vórtices en gases cuánticos, pero hasta ahora no se habían observado vórtices con propiedades cuánticas en gases dipolares formados por sustancias magnéticas fuertes.  

Para lograr el nuevo avance, los investigadores de la Universidad de Innsbruck (Austria) desarrollaron un método novedoso en el que se empleó una propiedad direccional clave de los gases cuánticos. Para ser explícitos sobre el proceso, éste se lleva a cabo de manera que se aplica un campo magnético al gas cuántico considerado y este gas, que era principalmente de forma redonda, se comprime de manera elíptica a través de un efecto llamado magnetostricción. Originalmente, la idea fue propuesta por un equipo de científicos de la Universidad de Newcastle y uno de los autores principales resulta estar en el artículo que describe este nuevo trabajo publicado en nature physics [4]. 

Los científicos implicados en el estudio creen que la observación de vórtices cuantizados en el gas cuántico es una prueba clara del comportamiento superfluido, que es un efecto de baja temperatura descrito comúnmente como el flujo de un fluido sin la participación de ninguna fricción. A este respecto, un aspecto importante de esta realización es que la técnica podría emplearse en la investigación de la superfluidez en varios estados diferentes de la materia, uno de los cuales ha sido mencionado por los investigadores es un estado supersólido en el que coexisten fases sólidas y líquidas simultáneamente. 

Una ilustración que muestra los tubos de vórtice cuántico sometidos a una aparente superdifusión. Los puntos blancos representan partículas atrapadas que los investigadores rastrearon para visualizar y seguir el movimiento de los tubos, y las líneas rojas representan los patrones aleatorios que recorrieron las partículas. Figura y descripción: Cortesía de Wei Guo 

RSF en Perspectiva: 

Los vórtices son un fenómeno bastante global y diverso, lo que viene avalado por los datos disponibles. Curiosamente, estos objetos y su naturaleza ubicua son una implicación directa del Modelo Holográfico Generalizado -GHM por sus siglas en ingles- del físico Nassim Haramein. Ciertas características de los vórtices y su dinámica sugeridas por el GHM se explican bien en un artículo anterior de RSF escrito por la Dra. Ines Urdaneta. Por ejemplo, el modelo predice la formación de grandes vórtices a múltiples escalas de forma que expresa un comportamiento invariable a escala. Además, Haramein descubrió una solución exacta de las ecuaciones de campo de Einstein, denominada métrica de Haramein-Rauscher, según la cual, el espaciotiempo se está curvando a todas las escalas y esta rotación es la fuente del espín desde las escalas microscópicas hasta las cosmológicas. Una consecuencia de esta solución es, entre otras cosas, la formación de estructuras de vórtice de forma universal. Por lo tanto, es bastante pertinente decir que el estudio de los vórtices formaría una parte muy crucial de nuestra búsqueda de la unificación de campos y la reconciliación de la mecánica cuántica con los fenómenos gravitacionales. Tal vez tengamos una visión más clara sobre esto cuando se publique el nuevo artículo titulado Invarianza bajo Escalas en la Unificación de Campos, Fuerzas y Partículas en el Plasma del Vacío Cuántico (Scale Invariant Unification of Forces, Fields and Particles in a Quantum Vacuum Plasma).

Referencias 

[1] Wei Guo et al, Superdiffusion of quantized vortices uncovering scaling laws in quantum turbulence, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2021957118 

[2] Alon Luski et al, Vortex beams of atoms and molecules, Science (2021). DOI: 10.1126/science.abj2451 

[3] Gia Dvali, Florian Kühnel, and Michael Zantedeschi, Vortices in Black Holes, Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.061302 

[4] Francesca Ferlaino, Observation of vortices and vortex stripes in a dipolar condensate, Nature Physics (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01793-8