Uma equipe internacional de cientistas com pesquisadores da Universidade Estadual da Flórida desenvolveu um modelo que prevê a propagação de vórtices nos chamados superfluidos, trabalho que fornece novos insights sobre a física que governa a turbulência em sistemas de fluidos quânticos, como estrelas de nêutrons superfluidas.
Em um artigo publicado em Physical Review Letters , os pesquisadores criaram um modelo que descreve a propagação e a velocidade de tubos de vórtice semelhantes a tornados em superfluidos. Os tubos de vórtice são um ingrediente chave da turbulência, que é amplamente estudado na física clássica. O movimento dos tubos de vórtice é relevante em uma ampla gama de cenários, como a formação de furacões, a transmissão aérea de vírus e a mistura química na formação de estrelas. Mas é mal compreendido em fluidos quânticos.

Este trabalho expande um estudo anterior que relatou resultados experimentais obtidos em superfluido de hélio-4 dentro de uma estreita faixa de temperatura. Os superfluidos são líquidos que podem fluir sem resistência e, portanto, sem perda de energia cinética. Quando são agitados, formam vórtices que giram indefinidamente.

“Ao validar este modelo e mostrar que ele descreve o movimento de vórtices em uma ampla faixa de temperaturas, estamos confirmando uma regra universal para esse fenômeno”, disse Wei Guo, professor associado de engenharia mecânica da Faculdade de Engenharia da FAMU-FSU. . "Esta descoberta pode ajudar no desenvolvimento de modelos teóricos avançados de turbulência de fluidos quânticos."

No estudo anterior, Guo e sua equipe rastrearam os tubos de vórtice que apareceram no superfluido hélio-4, um fluido quântico que existe em temperaturas extremamente baixas. Nessa pesquisa, a equipe usou pequenas partículas que foram capturadas nos vórtices para rastrear seu movimento. Eles descobriram que os vórtices se espalham muito mais rápido do que se esperaria com base no movimento aparentemente aleatório dos tubos. Essa rápida disseminação é conhecida como superdifusão.

No trabalho mais recente, os pesquisadores construíram um modelo numérico e usaram as descobertas de seu estudo anterior para validar a precisão do modelo, reproduzindo resultados experimentais. Isso lhes permitiu prever como os tubos de vórtice podem se formar e se espalhar dentro de superfluidos em uma faixa de temperatura mais ampla. A simulação também produziu evidências inequívocas que apoiam o mecanismo físico que os autores propuseram para explicar a superdifusão de vórtices observada.

Os pesquisadores pretendem entender a turbulência em fluidos quânticos para os benefícios da pesquisa básica, bem como para possível uso em aplicações práticas, como a fabricação de nanofios. Os tubos de vórtice atraem partículas que se agrupam em linhas incrivelmente finas. O controle desse processo permite a fabricação dos chamados nanofios, que têm espessura medida em nanômetros.

“A dispersão de partículas em fluxo turbulento é um tópico muito ativo no campo de turbulência clássica, mas recebeu menos atenção na comunidade de fluidos quânticos”, disse Yuan Tang, co-autor principal e pesquisador de pós-doutorado no National Laboratório de Alto Campo Magnético. “Nosso trabalho pode estimular mais pesquisas futuras sobre dispersão de partículas em fluidos quânticos”.

Os coautores do artigo incluem Satoshi Yui e Makoto Tsubota da Osaka Metropolitan University, Japão, e Hiromichi Kobayashi da Keio University, Japão. Este artigo foi selecionado por Cartas de Revisão Física como Sugestão dos Editores. + Explorar mais

Pesquisadores de engenharia visualizam o movimento de vórtices em turbulência superfluida