Para alguns, o som de um "fluxo perfeito" pode ser o bater suave de um riacho da floresta ou talvez o tilintar da água despejada de uma jarra. Para físicos, um fluxo perfeito é mais específico, referindo-se a um fluido que flui com a menor quantidade de atrito, ou viscosidade, permitido pelas leis da mecânica quântica. Esse comportamento perfeitamente fluido é raro na natureza, mas acredita-se que ocorra nos núcleos das estrelas de nêutrons e no plasma pastoso do universo primitivo.

Agora, os físicos do MIT criaram um fluido perfeito em laboratório, e ouviu como as ondas sonoras viajam por ele. A gravação é produto de um glissando de ondas sonoras que a equipe enviou através de um gás cuidadosamente controlado de partículas elementares conhecidas como férmions. Os tons que podem ser ouvidos são as frequências específicas nas quais o gás ressoa como uma corda dedilhada.

Os pesquisadores analisaram milhares de ondas sonoras que viajam através deste gás, para medir sua "difusão de som, "ou a rapidez com que o som se dissipa no gás, que está diretamente relacionado à viscosidade de um material, ou atrito interno.

Surpreendentemente, eles descobriram que a difusão do som do fluido era tão baixa que pode ser descrita por uma quantidade "quântica" de atrito, dada por uma constante da natureza conhecida como constante de Planck, e a massa dos férmions individuais no fluido.

Este valor fundamental confirmou que o gás férmion de interação forte se comporta como um fluido perfeito, e é universal por natureza. Os resultados, publicado hoje no jornal Ciência , demonstra a primeira vez que os cientistas conseguiram medir a difusão do som em um fluido perfeito.

Os cientistas agora podem usar o fluido como um modelo de outro, fluxos perfeitos mais complicados, para estimar a viscosidade do plasma no universo primordial, bem como a fricção quântica dentro das estrelas de nêutrons - propriedades que de outra forma seriam impossíveis de calcular. Os cientistas podem até ser capazes de prever aproximadamente os sons que fazem.

"É muito difícil ouvir uma estrela de nêutrons, "diz Martin Zwierlein, o professor de física Thomas A. Franck do MIT. "Mas agora você pode imitá-lo em um laboratório usando átomos, agite aquela sopa atômica e ouça, e saber como soaria uma estrela de nêutrons. "

Enquanto uma estrela de nêutrons e o gás da equipe diferem amplamente em termos de tamanho e velocidade com que o som viaja, a partir de alguns cálculos aproximados, Zwierlein estima que as frequências de ressonância da estrela seriam semelhantes às do gás, e até mesmo audível - "se você pudesse aproximar seu ouvido sem ser dilacerado pela gravidade, " ele adiciona.

Os co-autores de Zwierlein são o autor principal Parth Patel, Zhenjie Yan, Biswaroop Mukherjee, Richard Fletcher, e Julian Struck, do MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms.

Tocar, ouço, aprender

Para criar um fluido perfeito no laboratório, A equipe de Zwierlein gerou um gás de férmions de interação forte - partículas elementares, como elétrons, prótons, e nêutrons, que são considerados os blocos de construção de toda a matéria. Um férmion é definido por seu spin meio-inteiro, uma propriedade que evita que um férmion assuma o mesmo spin de outro férmion próximo. Essa natureza exclusiva é o que possibilita a diversidade de estruturas atômicas encontradas na tabela periódica dos elementos.

"Se os elétrons não fossem férmions, mas feliz por estar no mesmo estado, hidrogênio, hélio, e todos os átomos, e nós mesmos, teria a mesma aparência, como algum terrível, sopa chata, "Zwierlein diz.

Os férmions preferem naturalmente manter-se separados uns dos outros. Mas quando eles são feitos para interagir fortemente, eles podem se comportar como um fluido perfeito, com viscosidade muito baixa. Para criar um fluido tão perfeito, os pesquisadores primeiro usaram um sistema de lasers para capturar um gás de átomos de lítio-6, que são considerados férmions.

Os pesquisadores configuraram com precisão os lasers para formar uma caixa óptica em torno do gás férmion. Os lasers foram ajustados de forma que sempre que os férmions atingissem as bordas da caixa, eles voltassem para o gás. Também, as interações entre os férmions foram controladas para serem tão fortes quanto permitido pela mecânica quântica, para que dentro da caixa, férmions tiveram que colidir uns com os outros em cada encontro. Isso fez com que os férmions se transformassem em um fluido perfeito.

“Tínhamos que fazer um fluido com densidade uniforme, e só então poderíamos tocar em um lado, escute o outro lado, e aprender com isso, "Zwierlein diz." Na verdade, foi muito difícil chegar a um lugar onde poderíamos usar o som dessa forma aparentemente natural. "

"Flua de maneira perfeita"

A equipe então enviou ondas sonoras através de um lado da caixa óptica, simplesmente variando o brilho de uma das paredes, para gerar vibrações semelhantes a som através do fluido em frequências específicas. Eles gravaram milhares de instantâneos do fluido à medida que cada onda sonora passava.

"Todos esses instantâneos juntos nos dão uma ultrassonografia, e é um pouco como o que é feito ao fazer um ultrassom no consultório médico, "Zwierlein diz.

No fim, eles foram capazes de observar a ondulação da densidade do fluido em resposta a cada tipo de onda sonora. Eles então procuraram as frequências de som que geravam uma ressonância, ou um som amplificado no fluido, semelhante a cantar em uma taça de vinho e descobrir a frequência com que ela se estilhaça.

"A qualidade das ressonâncias me diz sobre a viscosidade do fluido, ou difusividade do som, "Zwierlein explica." Se um fluido tem baixa viscosidade, pode criar uma onda sonora muito forte e ser muito alto, se atingido apenas na frequência certa. Se for um fluido muito viscoso, então não tem boas ressonâncias. "

A partir de seus dados, os pesquisadores observaram ressonâncias claras através do fluido, particularmente em baixas frequências. A partir da distribuição dessas ressonâncias, eles calcularam a difusão do som do fluido. Este valor, eles encontraram, também poderia ser calculado de forma muito simples através da constante de Planck e da massa do férmion médio no gás.

Isso disse aos pesquisadores que o gás era um fluido perfeito, e de natureza fundamental:sua difusão sonora, e, portanto, sua viscosidade, estava no limite mais baixo possível estabelecido pela mecânica quântica.

Zwierlein diz que além de usar os resultados para estimar o atrito quântico em matéria mais exótica, como estrelas de nêutrons, os resultados podem ser úteis na compreensão de como certos materiais podem ser feitos para apresentar uma exibição perfeita, fluxo supercondutor.

“Este trabalho se conecta diretamente à resistência dos materiais, "Zwierlein diz." Ter descoberto qual é a menor resistência que você poderia ter de um gás nos diz o que pode acontecer com os elétrons nos materiais, e como se poderia fazer materiais onde os elétrons pudessem fluir de maneira perfeita. Isso é emocionante. "