Figura 1. Expansão dentro de um fluido de vórtice. Um fluido de vórtice não uniforme se expande para formar um vórtice de Rankine. (Cores mais escuras representam alta densidade.). Crédito:FLEET
, Um estudo liderado pela Austrália forneceu uma nova visão sobre o comportamento dos superfluidos rotativos.
Uma característica definidora dos superfluidos é que eles exibem vórtices quantizados - eles só podem girar com um, ou dois, ou outra quantidade inteira de rotação.
Apesar desta diferença fundamental dos fluidos clássicos, onde os vórtices podem girar com qualquer força, muitas características da dinâmica coletiva dos vórtices nos fluidos clássicos e quânticos são semelhantes.
Contudo, neste estudo, a equipe FLEET da University of Queensland demonstra uma grande diferença no comportamento entre os fluidos clássicos e quânticos. Os autores consideram a expansão de aglomerados de vórtices para mostrar que, para qualquer arranjo inicial de vórtices quantizados, um supervórtex "Rankine" se formará.
"O comportamento de muitos vórtices em um superfluido é frequentemente caótico e difícil de descrever teoricamente, "explica o autor principal Oliver Stockdale." Nosso estudo supera esse desafio, fornecendo uma solução exata para a dinâmica do vórtice. "
A solução mostra que um aglomerado de vórtices quirais (vórtices que giram todos na mesma direção) se expande para formar uma distribuição de densidade constante que tem uma forma semelhante a uma cartola. Essa distribuição de vórtices, conhecido como vórtice Rankine, é proibido em fluidos clássicos devido à sua viscosidade.
Figura 2. Uma distribuição de vórtice inicial gaussiana se expande para formar um vórtice de Rankine. (Simulação numérica.). Crédito:FLEET
Por que todos os superfluidos acabam se tornando distribuições Rankine
"Os superfluidos têm viscosidade zero e podem suportar um vórtice Rankine, "explica Oliver." O resultado surpreendente desta descoberta é que todas as distribuições iniciais de vórtices, independentemente de como eles são organizados, se expande para formar um vórtice Rankine. Este comportamento equivalente de longa data é conhecido como dinâmica universal e demonstra o mecanismo de como um superfluido dissipa sua energia por meio de vórtices quantizados. "
Os autores empregam uma teoria desenvolvida recentemente que descreve os próprios vórtices como um fluido.
"Assim como a hidrodinâmica descreve o comportamento de muitas partículas de fluido, pode ser usado para descrever o movimento de muitos vórtices, que formam um 'fluido de vórtice' dentro do fluido comum, "diz o co-autor Matt Reeves.
"Contudo, o fluido de vórtice exibe tensões "anômalas" adicionais; essas forças extras surgem devido à natureza dos vórtices que restringem sua rotação para serem quantizados. Os termos anômalos dão comportamentos de fluido incomuns, incluindo uma viscosidade que é negativa. Essencialmente, a viscosidade negativa causa o comportamento exatamente oposto ao normal, fluido clássico - aumenta os gradientes de densidade de vórtice, até que a distribuição se torne um vórtice Rankine. "Um exemplo de expansão dentro da teoria dos fluidos de vórtice pode ser visto na Fig. 1, onde um fluido de vórtice inicialmente não uniforme se expande para formar um vórtice de Rankine.
Figura 3. O vórtice de Rankine emerge depois que o cluster se expande em vórtices experimentais (destacados por círculos brancos à direita). Crédito:FLEET
Para apoiar suas descobertas teóricas, os autores simulam a dinâmica de milhares de vórtices computacionalmente. Ao contrário de descrever os vórtices como um fluido, essas simulações consideram cada vórtice como uma entidade individual. Tal como acontece com a teoria do fluido de vórtice, os autores descobriram que qualquer distribuição de vórtice inicial se expande para formar um vórtice de Rankine. Um exemplo do resultado numérico pode ser visto na Fig. 2, onde uma distribuição inicial gaussiana se expande para formar um vórtice de Rankine.
Finalmente, os autores analisaram dados de um experimento que observou a expansão de um aglomerado de vórtices em um superfluido real, que foi criado usando átomos de rubídio ultracold.
"Embora a teoria do fluido de vórtice presuma que há muitos vórtices presentes, o experimento só pode criar cerca de onze vórtices. Apesar do baixo número de vórtices, havia evidências de que o vórtice Rankine emergiu após a expansão do aglomerado, "explica o líder do projeto, Prof Matthew Davis. Os vórtices experimentais podem ser vistos na Fig. 3, conforme destacado pelos círculos brancos.
Este estudo não apenas demonstrou a primeira solução para a complicada teoria dos fluidos de vórtice, forneceu o primeiro teste experimental da teoria. O experimento previu quantitativamente as principais características da teoria e demonstrou uma plataforma para testar ainda mais as propriedades do vórtice Rankine, como as previsões de que ele suporta um efeito Hall quântico de fração analógica.
Os vórtices são um fenômeno onipresente em sistemas de superfluidos. Para trabalhar em direção ao objetivo da FLEET de produzir um transistor superfluido ultraeficiente, é necessária uma compreensão mais completa de como os vórtices se comportam em superfluidos fluentes. Este estudo pela equipe FLEET é um passo em direção a esse transistor.
O papel, "Dinâmica universal na expansão de aglomerados de vórtices em um superfluido bidimensional dissipativo, "foi publicado em Pesquisa de revisão física em julho de 2020.
