Se uma gota de creme cair de uma colher em uma xícara de café em movimento, o redemoinho arrasta a gota para a rotação. Mas o que aconteceria se o café não tivesse atrito - nenhuma maneira de puxar a gota para um giro sincronizado?

Os superfluidos - também chamados de fluidos quânticos - aparecem em uma ampla gama de sistemas e aplicações. Por exemplo, superfluidos cosmológicos fundem-se uns com os outros durante as fusões de estrelas de nêutrons, e os cientistas usam hélio superfluido para resfriar máquinas de ressonância magnética (MRI).

Os fluidos têm propriedades únicas e úteis governadas pela mecânica quântica - uma estrutura geralmente usada para descrever o reino do muito pequeno. Para superfluidos, Contudo, essas propriedades da mecânica quântica dominam em uma maior, escala macroscópica. Por exemplo, superfluidos não têm viscosidade, uma espécie de atrito interno que permite que o fluido resista e cause movimento.

Essa falta de viscosidade concede aos líquidos habilidades incomuns, como viajar livremente por tubos sem perda de energia ou permanecer imóvel dentro de um recipiente giratório. Mas quando se trata de movimento rotacional, os cientistas lutam para entender como os superfluidos em rotação transferem o momento angular - uma qualidade que mostra a rapidez com que os líquidos giram.

Em um estudo recente, cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) colaboraram com cientistas do Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético (MagLab) em Tallahassee, Flórida, e a Universidade da Cidade de Osaka, no Japão, para realizar simulações de computador avançadas da fusão de superfluidos rotativos, revelando um mecanismo peculiar em forma de saca-rolhas que conduz os fluidos em rotação sem a necessidade de viscosidade.

Quando uma gota de chuva em rotação cai em um lago, a viscosidade permite que a gota conduza a água circundante em rotação, gerando vórtices ou correntes parasitas no processo. Esse arrasto viscoso reduz a diferença de movimento entre os dois corpos. Um superfluido, Contudo, permite essa diferença.

"Os átomos permanecem aproximadamente no mesmo lugar quando os superfluidos transferem o momento angular, ao contrário das correntes parasitas em fluidos clássicos, "disse Dafei Jin, um cientista do Centro de Materiais em Nanoescala de Argonne (CNM), um DOE Office of Science User Facility. "Em vez da convecção de partículas, é mais eficiente para átomos superfluidos transferirem o momento angular por meio de interações da mecânica quântica. "

Essas interações da mecânica quântica dão origem a um efeito hipnotizante, exibida nas simulações da equipe realizadas no cluster de computadores Carbon da CNM. Os cientistas simularam a fusão de gotas rotativas e estacionárias de um estado superfluido da matéria denominado condensado de Bose-Einstein (BEC).

"Escolhemos simular condensados ​​de Bose-Einstein porque são sistemas superfluidos relativamente gerais que exibem características compartilhadas por vários outros fluidos quânticos, "disse Wei Guo, professor da Florida State University (FSU) e pesquisador do MagLab.

Toshiaki Kanai, um estudante de graduação de Guo no Departamento de Física da FSU, liderou o design das simulações, cujo modelo de interação entre dois BEC cai desde o momento em que eles entram em contato até que se fundam completamente. Tsubota Makoto, professor da Osaka City University e especialista em simulação de fluidos quânticos, também contribuiu com a concepção do projeto e interpretação dos resultados.

"Tivemos a sorte de trabalhar com Dafei Jin na CNM, que nos ajudou a resolver muitos desafios técnicos, "disse Guo, colaborador de longa data de Jin, "e Argonne tem clusters de computador e outros recursos computacionais que nos permitiram realizar a simulação de forma eficiente muitas vezes em diferentes condições para obter resultados sistemáticos."

Conforme as gotas se aproximam umas das outras, a forma de saca-rolhas aparece espontaneamente e se estende em ambas as gotas, crescendo em tamanho e influência até que as duas gotas se misturem e girem na mesma velocidade.

"Não se parece apenas com um saca-rolhas - sua funcionalidade é semelhante, também, "disse Jin." Ele transfere o momento angular girando nas amostras, fazendo com que eles acelerem ou diminuam sua rotação. "

O resultado da simulação é aplicável a muitos sistemas BEC de laboratório de vários tamanhos, de dezenas de nanômetros a centenas de mícrons - ou milionésimos de metros. Os resultados também são verdadeiros para sistemas de superfluidos maiores. Apesar das diferenças de escala, todos os sistemas de superfluidos exibem propriedades fundamentais comuns ligadas à sua natureza quântica.

"Embora tenhamos nos concentrado em um sistema muito pequeno, os resultados são gerais, "disse Guo." O conhecimento que obtivemos sobre como essas interações ocorrem pode ajudar os físicos a informar modelos de sistemas de átomos ultracold em nanoescala a superfluidos em escala cosmológica em sistemas astrofísicos. "

Por exemplo, o hélio superfluido pode existir nas escalas de centímetros e metros, e BECs em estrelas de nêutrons podem ser, Nós vamos, astronômico em tamanho. Quando estrelas de nêutrons se fundem, eles agem como dois grandes, o superfluido rotativo cai em alguns aspectos, e a descoberta do mecanismo do saca-rolhas poderia informar os modelos astrofísicos dessas fusões.

Os cientistas esperam testar sua descoberta teórica do mecanismo do saca-rolhas por meio de experimentos. Líquidos quânticos têm implementações em sistemas de átomos frios, superfluidos, supercondutores e muito mais, e a pesquisa científica básica de seu comportamento ajudará no desenvolvimento de aplicações desses sistemas.