Los superfluidos son un tema fascinante en la investigación de la física moderna. Gobernados por la mecánica cuántica y conocidos por su flujo sin fricción, los superfluidos han intrigado a los científicos con sus propiedades inusuales y aplicaciones de largo alcance.

Investigadores de la Facultad de Ingeniería FAMU-FSU, dirigidos por el profesor Wei Guo, han logrado un hito innovador al estudiar cómo se mueven los vórtices en estos fluidos cuánticos. Su estudio del movimiento del anillo de vórtice en helio superfluido, publicado en Nature Communications, proporciona evidencia crucial que respalda un modelo teórico desarrollado recientemente de vórtices cuantificados.

« Nuestros hallazgos resuelven preguntas de larga data y mejoran nuestra comprensión de la dinámica de vórtices dentro del superfluido », dijo Guo.

Una característica clave de los superfluidos es la presencia de vórtices cuantizados: tubos delgados y huecos que se asemejan a tornados en miniatura. Estos juegan un papel importante en fenómenos como la turbulencia en el helio superfluido y fallas en la rotación de estrellas de neutrones. Sin embargo, predecir con precisión el movimiento de los vórtices ha demostrado ser un desafío.

Para abordar esto, el equipo de investigación utilizó partículas de trazador de deuterio solidificado que quedaron atrapadas dentro de los anillos de vórtice. Al iluminarlos con un láser de imágenes en forma de hoja, el equipo capturó imágenes precisas y cuantificó su movimiento.

Los investigadores también realizaron simulaciones utilizando varios modelos teóricos y demostraron que solo el modelo bidireccional autoconsistente propuesto recientemente, o modelo S2W, reproduce con precisión el movimiento del anillo de vórtice observado. Según el modelo S2W, el anillo debería encogerse a medida que interactúa con el entorno térmico, aunque a un ritmo más lento de lo previsto por las teorías anteriores.

« Eso fue exactamente lo que vimos », dijo Yuan Tang, investigador postdoctoral en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético con sede en la Universidad Estatal de Florida. « Esta investigación proporciona la primera evidencia experimental que respalda el modelo S2W ».

La importancia de este avance se extiende más allá del helio superfluido. El modelo S2W validado es prometedor para aplicaciones en otros sistemas de fluidos cuánticos, como los condensados ​​atómicos de Bose-Einstein y las estrellas de neutrones superfluidos.

« Estamos entusiasmados con las posibilidades que ofrece el modelo S2W para estudios futuros », dijo Guo. « Ahora que hemos confirmado su validez para el helio superfluido, nuestro objetivo es aplicar este modelo a otros sistemas de fluidos cuánticos y explorar nuevos desafíos científicos ».

La colaboración de investigación incluyó a los coautores Hiromichi Kobayashi de la Universidad de Keio, Makoto Tsubota y Satoshi Yui de la Universidad Metropolitana de Osaka y el estudiante graduado de FSU Toshiaki Kanai.

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias, la Fundación Gordon y Betty Moore y la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia.