Los investigadores han demostrado cómo desaparece la energía en la turbulencia cuántica, allanando el camino para una mejor comprensión de la turbulencia en escalas que van desde lo microscópico hasta lo planetario.

El Dr. Samuli Autti de la Universidad de Lancaster es uno de los autores de un nuevo estudio sobre la turbulencia de ondas cuánticas junto con investigadores de la Universidad Aalto.

Los hallazgos del equipo, publicados en Nature Physics, demuestran una nueva comprensión de cómo el movimiento ondulatorio transfiere energía de escalas de longitud macroscópicas a microscópicas, y sus resultados confirman una predicción teórica sobre cómo se disipa la energía a escalas pequeñas.

El Dr. Autti dijo : « Este descubrimiento se convertirá en la piedra angular de la física de los grandes sistemas cuánticos ».

La turbulencia cuántica a gran escala, como la turbulencia alrededor de aviones o barcos en movimiento, es difícil de simular. A pequeña escala, la turbulencia cuántica es diferente de la turbulencia clásica porque el flujo turbulento de un fluido cuántico está confinado alrededor de centros de flujo similares a líneas llamados vórtices y solo puede tomar ciertos valores cuantizados.

Esta granularidad hace que la turbulencia cuántica sea significativamente más fácil de capturar en una teoría y, en general, se cree que dominar la turbulencia cuántica ayudará a los físicos a comprender también la turbulencia clásica.

En el futuro, una mejor comprensión de la turbulencia a partir del nivel cuántico podría permitir una ingeniería mejorada en dominios donde el flujo y el comportamiento de fluidos y gases como el agua y el aire es una cuestión clave.

El autor principal, el Dr. Jere Mäkinen, de la Universidad de Aalto, dijo : « Nuestra investigación con los componentes básicos de la turbulencia podría ayudar a señalar el camino hacia una mejor comprensión de las interacciones entre diferentes escalas de longitud en la turbulencia.

« Comprender eso en los fluidos clásicos nos ayudará a hacer cosas como mejorar la aerodinámica de los vehículos, predecir el clima con mayor precisión o controlar el flujo de agua en las tuberías. Hay una gran cantidad de usos potenciales en el mundo real para comprender la turbulencia macroscópica ».

El Dr. Autti dijo que la turbulencia cuántica era un problema desafiante para los científicos.

« En los experimentos, la formación de turbulencia cuántica alrededor de un solo vórtice ha permanecido esquiva durante décadas a pesar de que todo un campo de físicos que trabajan en turbulencia cuántica intentan encontrarla. Esto incluye a personas que trabajan en superfluidos y gases cuánticos como los condensados ​​atómicos de Bose-Einstein ( BEC) El mecanismo teórico detrás de este proceso se conoce como la cascada de ondas de Kelvin.

« En el presente manuscrito mostramos que este mecanismo existe y funciona como se esperaba teóricamente. Este descubrimiento se convertirá en la piedra angular de la física o de los grandes sistemas cuánticos ».

El equipo de investigadores, dirigido por el científico senior Vladimir Eltsov, estudió la turbulencia en el isótopo Helio-3 en un refrigerador giratorio de temperatura ultrabaja único en el Laboratorio de Baja Temperatura de Aalto. Descubrieron que, a escalas microscópicas, las llamadas ondas de Kelvin actúan sobre vórtices individuales empujando continuamente la energía a escalas cada vez más pequeñas, lo que en última instancia conduce a la escala en la que tiene lugar la disipación de energía.

El Dr. Jere Mäkinen de la Universidad Aalto dijo : « La cuestión de cómo desaparece la energía de los vórtices cuantificados a temperaturas ultrabajas ha sido crucial en el estudio de la turbulencia cuántica. Nuestra configuración experimental es la primera vez que el modelo teórico de la transferencia de ondas Kelvin energía a las escalas de longitud disipativas se ha demostrado en el mundo real ».

El próximo desafío del equipo es manipular un solo vórtice cuantificado utilizando dispositivos a nanoescala sumergidos en superfluidos.