Pesquisadores da FAMU-FSU College of Engineering e do National High Magnetic Field Laboratory têm uma nova visão sobre a formação de vórtices em um tipo de fluido quântico, trabalho que poderia ajudar a nossa compreensão do mistério da física de como os aglomerados de vórtices se formam e fornecer uma compreensão valiosa do movimento giratório atmosférico em planetas como a Terra e Júpiter.

Os pesquisadores revelaram uma explicação alternativa para a formação dos chamados vórtices Onsager em um superfluido bidimensional, um tipo de fluido quântico que pode fluir sem atrito. Suas descobertas foram publicadas em Cartas de revisão física .

"Essa descoberta nos dá uma nova explicação de como esses vórtices podem se formar e é um passo importante para continuar a melhorar nossa compreensão da física quântica, "disse Wei Guo, professor associado de engenharia mecânica e investigador principal do estudo.

Em 1949, O ganhador do Prêmio Nobel Lars Onsager propôs uma teoria simples relacionada à nossa compreensão do movimento espiralado em fluidos 2D turbulentos, que são fluidos restritos a se moverem em um espaço bidimensional.

A teoria de Onsager diz que quando a energia é adicionada constantemente em um fluido turbulento 2D com pequenos redemoinhos caóticos (formalmente chamados de vórtices), aqueles redemoinhos girando na mesma direção se agrupariam para formar redemoinhos persistentes em grande escala quando a energia for suficientemente alta. Esses aglomerados ou redemoinhos em grande escala são conhecidos como "vórtices Onsager". A Grande Mancha Vermelha de Júpiter é um bom exemplo.

"A teoria de Onsager requer que energia seja adicionada ao fluido 2D, "Guo disse." No entanto, publicações recentes revelaram que em Condensados ​​Bose-Einstein 2D (BECs), Os vórtices Onsager podem aparecer espontaneamente sem entrada de energia. Decidimos fazer mais investigações sobre esses resultados surpreendentes. "

BEC é um estado da matéria onde átomos ou moléculas idênticas são confinadas por um laser ou armadilha magnética e resfriadas quase ao zero absoluto. As partículas no estado BEC ocupam o mesmo nível de energia da mecânica quântica e podem exibir comportamentos superfluidos, como fluir sem a perda aparente de energia cinética e girar em torno de pequenos tubos ocos chamados tubos de vórtice. Com uma armadilha apropriada, um BEC pode ser confinado a ter uma forma de disco quase 2D, isso é, uma forma com uma espessura pequena, mas um raio grande. Os tubos de vórtice em um BEC 2D aparecem como redemoinhos de pontos minúsculos, que pode servir como um teste ideal para a teoria de Onsager.

"Uma explicação bem aceita do aparecimento espontâneo de vórtices Onsager em BECs de disco 2D é o mecanismo de aquecimento evaporativo, "Guo disse." Este mecanismo se refere ao que os físicos chamam de aniquilação de vórtice, que é quando um par de vórtices com rotações opostas se fundem e desaparecem, assim como uma carga positiva se neutraliza com uma carga negativa. "

"À medida que os vórtices se aniquilam, a energia por vórtice aumenta, que leva à formação de vórtices Onsager, "disse Toshiaki Kanai, um estudante de pós-graduação que trabalha com Guo no National High Magnetic Field Laboratory.

Contudo, em uma simulação numérica realizada por Kanai e Guo enquanto estudava o movimento turbulento em 2D, com BECs confinados na superfície de uma esfera, eles descobriram que os vórtices Onsager nunca se formaram, apesar da aniquilação dos pares de vórtices. Os pesquisadores então realizaram um estudo comparativo da dinâmica do vórtice em ambos os BECs de disco e BECs de concha esférica.

"Finalmente descobrimos que a formação espontânea de vórtices Onsager não se deve ao mecanismo de aquecimento evaporativo bem aceito, "Guo disse." O verdadeiro mecanismo é a saída dos vórtices da fronteira 2D BEC. "

O disco BEC tem uma circunferência por onde os vórtices podem sair, enquanto o shell esférico BEC não tem nenhum limite. Portanto, Os vórtices Onsager são observados apenas nos BECs do disco, mas não nas conchas esféricas do BEC, de acordo com os pesquisadores.

"Identificar o verdadeiro mecanismo para a formação espontânea de vórtices Onsager em BECs 2D representa um grande progresso em nossa compreensão da turbulência do superfluido 2D, "Disse Guo." Nossas descobertas sobre os vórtices pontuais em uma esfera podem representar um modelo conceitualmente interessante de uma atmosfera planetária, e essas descobertas podem ser testadas experimentalmente no laboratório espacial da NASA. "

A NASA instalou recentemente um laboratório de átomo frio na Estação Espacial Internacional, o que tornou viável a produção de BECs em geometria de casca esférica. Futuros estudos experimentais em gravidade zero podem ajudar no avanço da ciência neste campo.