Formação espontânea de um vórtice quântico com carga múltipla em um condensado polariton bombeado por anel por integração numérica das Eqs. (3) e (4). Os instantâneos de densidade (linha superior) e fase (linha inferior) são mostrados em vários estágios da formação de condensado. Para maior clareza, cada perfil de densidade é redimensionado para unidades máximas. Os perfis de bombeamento são sobrepostos em preto (em unidades de P), mostrando a separação espacial entre a bomba e o condensado. (a) No início da formação do condensado, devido à geometria da bomba, a interferência da onda de matéria leva a zeros anulares na função de onda. (b) Essas singularidades de anel são instáveis à instabilidade dinâmica, tornam-se assimétricos e pode-se observar que se quebra em vórtices unitários mais estáveis à medida que o condensado continua a se desenvolver. (c) O condensado preenche uma região em forma de disco com quase uniformidade dentro da bomba de anel, mas os vórtices restantes interagem caoticamente. A turbulência do vórtice eventualmente decai, deixando uma carga topológica líquida [48, 49]. Repetir essas simulações com diferentes condições iniciais aleatórias, a magnitude e o sinal da vorticidade final variam. Aqui,
Qualquer pessoa que drenou uma banheira ou mexeu creme no café viu um vórtice, uma formação onipresente que aparece quando o fluido circula. Mas ao contrário da água, fluidos regidos pelas estranhas regras da mecânica quântica têm uma restrição especial:como foi previsto pela primeira vez em 1945 pelo futuro vencedor do Nobel Lars Onsager, um vórtice em um fluido quântico só pode girar em unidades de número inteiro.
Prevê-se que essas estruturas rotativas sejam amplamente úteis para estudar tudo, desde sistemas quânticos a buracos negros. Mas embora o menor vórtice quântico possível, com uma única unidade de rotação, foi visto em muitos sistemas, vórtices maiores não são estáveis. Embora os cientistas tenham tentado forçar vórtices maiores a se manterem juntos, os resultados foram mistos:quando os vórtices se formaram, a severidade dos métodos usados geralmente destruiu sua utilidade.
Agora, Samuel Alperin e a professora Natalia Berloff, da Universidade de Cambridge, descobriram um mecanismo teórico por meio do qual vórtices quânticos gigantes não apenas são estáveis, mas se formam por si próprios em fluidos quase uniformes. As evidências, publicado no jornal Optica , pode abrir caminho para experimentos que podem fornecer uma visão sobre a natureza dos buracos negros giratórios que têm semelhanças com vórtices quânticos gigantes.
Para fazer isso, os pesquisadores usaram um híbrido quântico de luz e matéria, chamado de polariton. Essas partículas são formadas pelo brilho de luz laser em materiais com camadas especiais. "Quando a luz fica presa nas camadas, a luz e a matéria se tornam inseparáveis, e torna-se mais prático olhar para a substância resultante como algo que é distinto da luz ou da matéria, enquanto herda as propriedades de ambos, "disse Alperin, um Ph.D. estudante do Departamento de Matemática Aplicada e Física Teórica de Cambridge.
Uma das propriedades mais significativas dos polaritons vem do simples fato de que a luz não pode ser capturada para sempre. Um fluido de polaritons, que requer uma alta densidade de partículas exóticas, está constantemente expelindo luz, e precisa ser alimentado com luz nova do laser para sobreviver. "O resultado, "disse Alperin, "é um fluido que nunca é permitido sedimentar, e que não precisa obedecer o que geralmente são restrições básicas em física, como a conservação de energia. Aqui, a energia pode mudar como parte da dinâmica do fluido. "
Foram exatamente esses fluxos constantes de luz líquida que os pesquisadores exploraram para permitir a formação do vórtice gigante indescritível. Em vez de direcionar o laser para o próprio fluido polariton, a nova proposta tem a luz em forma de anel, causando um fluxo constante para dentro, semelhante a como a água flui para o ralo de uma banheira. De acordo com a teoria, este fluxo é suficiente para concentrar qualquer rotação em um único vórtice gigante.
"O fato de o vórtice gigante realmente poder existir em condições que sejam propícias ao seu estudo e uso técnico foi bastante surpreendente, "Alperin disse, "mas, na verdade, só mostra como a hidrodinâmica dos polaritons é totalmente distinta dos fluidos quânticos mais bem estudados. É um território excitante."
Os pesquisadores dizem que estão apenas no início de seu trabalho em vórtices quânticos gigantes. Eles foram capazes de simular a colisão de vários vórtices quânticos enquanto dançam em torno uns dos outros com velocidade cada vez maior até que colidem para formar um único vórtice gigante análogo à colisão de buracos negros. Eles também explicaram as instabilidades que limitam o tamanho máximo do vórtice enquanto exploram a física complexa do comportamento do vórtice.
"Essas estruturas têm algumas propriedades acústicas interessantes:elas têm ressonâncias acústicas que dependem de sua rotação, então eles meio que cantam informações sobre si mesmos, "disse Alperin." Matematicamente, é bastante análogo ao modo como os buracos negros em rotação irradiam informações sobre suas próprias propriedades. "
Os pesquisadores esperam que a semelhança possa levar a novos insights sobre a teoria da dinâmica quântica dos fluidos, mas também dizem que os polaritons podem ser uma ferramenta útil para estudar o comportamento dos buracos negros.
