O prêmio Nobel de física Richard Feynman certa vez descreveu a turbulência como "o problema não resolvido mais importante da física clássica".

Compreender a turbulência em fluidos clássicos como água e ar é difícil, em parte devido ao desafio de identificar os vórtices girando dentro desses fluidos. Localizar tubos de vórtice e rastrear seu movimento pode simplificar muito a modelagem de turbulência.

Mas esse desafio é mais fácil em fluidos quânticos, que existem em temperaturas baixas o suficiente para que a mecânica quântica - que lida com a física na escala dos átomos ou partículas subatômicas - governe seu comportamento.

Em um novo estudo publicado em Proceedings of the National Academy of Sciences , Pesquisadores da Florida State University conseguiram visualizar os tubos de vórtice em um fluido quântico, descobertas que podem ajudar os pesquisadores a entender melhor a turbulência nos fluidos quânticos e além.

"Nosso estudo é importante não apenas porque amplia nossa compreensão da turbulência em geral, mas também porque pode beneficiar os estudos de vários sistemas físicos que também envolvem tubos de vórtice, como supercondutores e até estrelas de nêutrons, "disse Wei Guo, professor associado de engenharia mecânica na FAMU-FSU College of Engineering e investigador principal do estudo.

A equipe de pesquisa estudou hélio-4 superfluido, um fluido quântico que existe em temperaturas extremamente baixas e pode fluir para sempre em um espaço estreito sem atrito aparente.

A equipe de Guo examinou partículas traçadoras presas nos vórtices e observou pela primeira vez que, conforme os tubos de vórtice apareceram, eles se moviam em um padrão aleatório e, na média, rapidamente se afastou de seu ponto de partida. O deslocamento desses rastreadores presos parecia aumentar com o tempo muito mais rápido do que na difusão molecular regular - um processo conhecido como superdifusão.

Analisar o que aconteceu os levou a descobrir como as velocidades do vórtice mudaram ao longo do tempo, que é uma informação importante para modelagem estatística de turbulência de fluido quântico.

"A superdifusão foi observada em muitos sistemas, como o transporte celular em sistemas biológicos e os padrões de busca de caçadores-coletores humanos, "Disse Guo." Uma explicação estabelecida de superdifusão para coisas que se movem aleatoriamente é que eles ocasionalmente têm deslocamentos excepcionalmente longos, que são conhecidos como voos Lévy. "

Mas depois de analisar seus dados, A equipe de Guo concluiu que a superdifusão dos rastreadores em seu experimento não foi realmente causada pelos voos de Lévy. Outra coisa estava acontecendo.

"Finalmente descobrimos que a superdifusão que observamos foi causada pela relação entre as velocidades de vórtice em momentos diferentes, "disse Yuan Tang, um pesquisador de pós-doutorado no National High Magnetic Field Laboratory e um autor de artigo. "O movimento de cada segmento de vórtice inicialmente parecia ser aleatório, mas na verdade, a velocidade de um segmento em um momento foi positivamente correlacionada com sua velocidade na próxima instância de tempo. Esta observação nos permitiu descobrir algumas propriedades estatísticas genéricas ocultas de um emaranhado de vórtice caótico e aleatório, que pode ser útil em vários ramos da física. "

Ao contrário dos fluidos clássicos, tubos de vórtice em superfluido hélio-4 são objetos estáveis ​​e bem definidos.

"Eles são essencialmente pequenos tornados girando em uma tempestade caótica, mas com núcleos ocos extremamente finos, "Tang disse." Você não pode vê-los a olho nu, nem mesmo com o microscópio mais potente. "

"Para resolver isso, conduzimos nossos experimentos no laboratório de criogenia, onde adicionamos partículas traçadoras em hélio para visualizá-las, "acrescentou Shiran Bao, um pesquisador de pós-doutorado no National High Magnetic Field Laboratory e um autor de artigo.

Os pesquisadores injetaram uma mistura de gás deutério e gás hélio no hélio superfluido frio. Após a injeção, o gás deutério se solidificou e formou minúsculas partículas de gelo, que os pesquisadores usaram como traçadores no fluido.

"Assim como tornados no ar podem sugar as folhas próximas, nossos traçadores também podem ficar presos nos tubos de vórtice de hélio quando eles estão perto dos tubos, "Guo disse.

Esta técnica de visualização não é nova e tem sido usada por cientistas em laboratórios de pesquisa em todo o mundo, mas a descoberta feita por esses pesquisadores foi desenvolver um novo algoritmo que lhes permitisse distinguir os rastreadores presos nos vórtices daqueles que não estavam presos.