En la física cuántica, algunos experimentos comienzan con un objetivo y terminan revelando algo inesperado. Esto es exactamente lo que ocurrió en un reciente estudio sobre vórtices cuantizados en superfluidos. Los investigadores buscaban manipular estos vórtices aplicando un campo eléctrico, pero lo que encontraron fue aún más interesante: lograron excitar y controlar ondas de Kelvin, un fenómeno que hasta ahora solo se había observado de manera accidental. Los vórtices cuánticos en superfluidos ya fueron noticia con el caso del disprosio.
El avance es significativo porque las ondas de Kelvin juegan un papel clave en la dinámica de fluidos cuánticos, incluyendo la turbulencia cuántica y la transferencia de energía en estos sistemas. Además, podrían tener aplicaciones en el desarrollo de tecnologías basadas en superfluidos, como la computación cuántica. Este logro, publicado en Nature Physics, marca la primera vez que se consigue inducir estas ondas de forma controlada y estudiarlas en detalle.
¿Qué son los superfluidos y por qué son especiales?
No viene mal recordar qué son los superfluos, por si has llegado aquí y no lo tienes muy claro. Los superfluidos son un estado de la materia con propiedades extraordinarias. Uno de los ejemplos más conocidos es el helio-4, que al enfriarse por debajo de los 2,17 Kelvin (-271 °C) adquiere la capacidad de fluir sin fricción. Esto significa que puede moverse sin perder energía, incluso desafiando la gravedad al escalar por las paredes de un recipiente.
Esta propiedad se debe a un fenómeno cuántico llamado condensación de Bose-Einstein, donde los átomos del superfluido entran en un estado colectivo y se comportan como una única entidad cuántica. Esto permite la formación de vórtices cuantizados, estructuras similares a pequeños tornados en el fluido. Estos vórtices son fundamentales para entender cómo se comportan los superfluidos y cómo disipan la energía.
Las ondas de Kelvin: vibraciones en los vórtices cuánticos
Las ondas de Kelvin fueron descritas por primera vez en 1880 por Lord Kelvin. Se trata de oscilaciones en forma de espiral que se propagan a lo largo de un vórtice en un fluido. En sistemas cuánticos, estas ondas juegan un papel crucial en la turbulencia, ya que permiten la transferencia de energía en escalas muy pequeñas.
El problema es que, hasta ahora, las ondas de Kelvin solo se habían observado en simulaciones o como un fenómeno accidental en experimentos con superfluidos. No existía un método fiable para generarlas y estudiarlas en detalle. Esto ha dificultado su análisis y ha limitado el desarrollo de tecnologías basadas en estos efectos cuánticos.
El experimento: cómo lograron controlar las ondas de Kelvin
Para resolver este desafío, los investigadores diseñaron un nuevo método utilizando nanopartículas de silicio. Primero, crearon estas nanopartículas mediante ablación láser dentro de helio superfluido a 1,4 K. Algunas de ellas quedaron atrapadas en el núcleo de los vórtices cuantizados, lo que permitió visualizar su estructura.
Luego, aplicaron un campo eléctrico oscilante para hacer vibrar las nanopartículas, lo que provocó la excitación de ondas de Kelvin en los vórtices. Al cambiar la frecuencia del campo eléctrico (entre 0,8 y 3,0 Hz), lograron controlar la longitud de onda y la velocidad de propagación de estas oscilaciones.
El experimento fue registrado con un sistema de doble cámara, lo que permitió reconstruir en tres dimensiones la forma de las ondas de Kelvin. Gracias a esto, los investigadores pudieron confirmar su naturaleza helicoidal y medir con precisión su dispersión y velocidad de fase.
¿Por qué es importante este descubrimiento?
El hecho de que las ondas de Kelvin puedan ser inducidas y controladas de manera precisa abre nuevas posibilidades en el estudio de los fluidos cuánticos. Esto no solo permite investigar mejor la turbulencia cuántica, sino que también puede tener aplicaciones en diversas áreas de la física.
Por ejemplo, en la computación cuántica, el control de vórtices en superfluidos podría usarse para desarrollar nuevos métodos de almacenamiento y procesamiento de información. También es relevante para la astrofísica, donde fenómenos similares a las ondas de Kelvin podrían desempeñar un papel en la dinámica de estrellas de neutrones y otros sistemas extremos.
Por otra parte, este experimento demuestra que las técnicas basadas en nanopartículas pueden servir como herramientas versátiles para manipular y observar la dinámica de los superfluidos. Esto podría inspirar estudios similares en otros sistemas cuánticos, ampliando nuestra comprensión de la materia en condiciones extremas.
Un nuevo camino para la física cuántica
El estudio no solo logró excitar ondas de Kelvin de forma controlada, sino que también proporcionó un modelo teórico que describe con precisión su comportamiento. Para validar los resultados, los investigadores realizaron simulaciones de filamentos vorticosos, que confirmaron que las oscilaciones inducidas coincidían con las predicciones teóricas.
El siguiente paso será profundizar en el comportamiento no lineal de las ondas de Kelvin y sus procesos de disipación. Comprender estos efectos es clave para avanzar en la manipulación de vórtices en superfluidos y explorar nuevas aplicaciones tecnológicas.
En palabras del autor principal del estudio, se trata de un método que abre la puerta a una nueva era en la investigación de los superfluidos, permitiendo estudios más detallados sobre la turbulencia cuántica y la dinámica de los vórtice”. Este avance representa un punto de inflexión en la física cuántica y podría ser el primer paso hacia desarrollos aún más revolucionarios en el futuro.
Referencias
Cortesía de Muy Interesante
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