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Uma estrutura de anel de vórtice simulada em hélio superfluido. Crédito: Cortesia de Wei Guo
Os cientistas alcançaram um avanço no estudo dos superfluidos. Sua pesquisa apóia o recém-proposto modelo S2W de movimento de vórtice em hélio superfluido, abrindo aplicações potenciais em outros sistemas de fluido quântico.
O enigma dos superfluidos
Os superfluidos apresentam um assunto cativante na área da pesquisa em física moderna. Governadas pelos princípios da mecânica quântica e celebradas pelo seu fluxo sem atrito, estas substâncias fascinantes despertaram a curiosidade entre os cientistas devido às suas propriedades peculiares e às suas amplas aplicações potenciais.
Estudo inovador sobre superfluidos
Em um estudo marcante, pesquisadores da Faculdade de Engenharia FAMU-FSU, liderados pelo professor Wei Guo, fizeram avanços significativos na exploração do movimento de vórtices dentro desses fluidos quânticos. Sua pesquisa sobre o movimento dos anéis de vórtice no hélio superfluido foi publicada em Comunicações da Natureza. É importante ressaltar que oferece evidências convincentes que apóiam um modelo teórico recentemente proposto de vórtices quantizados.
O professor Guo expressou: “Nossas descobertas resolvem questões de longa data e melhoram nossa compreensão da dinâmica do vórtice dentro do superfluido”.
Yuan Tang, pesquisador de pós-doutorado no Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético, sediado na Florida State University. Crédito: Universidade Estadual da Flórida
Vórtices Quantizados em Superfluidos
Um atributo distintivo dos superfluidos é a existência de vórtices quantizados. São tubos finos e ocos que lembram tornados em miniatura. Eles desempenham um papel fundamental em uma variedade de fenômenos, desde turbulência no hélio superfluido até irregularidades na rotação de estrelas de nêutrons. No entanto, a previsão precisa do movimento destes vórtices continua a ser uma tarefa ilusória.
Em um esforço para resolver isso, a equipe de pesquisa empregou partículas traçadoras de deutério solidificadas que ficaram presas nos anéis de vórtice. Ao iluminar essas partículas com um laser de imagem em forma de folha, a equipe conseguiu capturar imagens precisas e quantificar o movimento das partículas.
Validação do Modelo S2W
A equipe também conduziu uma série de simulações usando uma variedade de modelos teóricos. Os resultados indicaram que apenas o modelo bidirecional autoconsistente recentemente sugerido, conhecido como modelo S2W, reproduz com precisão o movimento observado dos anéis de vórtice. De acordo com o modelo S2W, o anel deve encolher à medida que interage com o ambiente térmico, embora a uma taxa mais lenta do que o previsto pelas teorias anteriores.
O pesquisador de pós-doutorado Yuan Tang no Universidade Estadual da FlóridaO Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético, com sede, declarou: “Isso foi exatamente o que vimos. Esta pesquisa fornece a primeira evidência experimental que apoia o modelo S2W.”
Wei Guo, professor do Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Engenharia FAMU-FSU. Crédito: Universidade Estadual da Flórida
Implicações e direções futuras
As implicações desta descoberta vão muito além do hélio superfluido. O modelo S2W validado oferece perspectivas promissoras para utilização em outros sistemas de fluido quântico, como condensados atômicos de Bose-Einstein e estrelas de nêutrons superfluidas.
Guo transmitiu seu entusiasmo: “Estamos entusiasmados com as possibilidades que o modelo S2W oferece para estudos futuros. Agora que confirmamos a sua validade para o hélio superfluido, pretendemos aplicar este modelo a outros sistemas de fluido quântico e explorar novos desafios científicos.”
Para mais informações sobre esta pesquisa, consulte O Grande Mistério do Movimento de Vórtice Quantizado.
Referência: “Imagem de anéis de vórtice quantizados em hélio superfluido para avaliar a dissipação quântica” por Yuan Tang, Wei Guo, Hiromichi Kobayashi, Satoshi Yui, Makoto Tsubota e Toshiaki Kanai, 23 de maio de 2023, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-023-38787-w
A colaboração de pesquisa incluiu os coautores Hiromichi Kobayashi da Keio University, Makoto Tsubota e Satoshi Yui da Osaka Metropolitan University e o estudante de pós-graduação da FSU Toshiaki Kanai.
Este trabalho foi apoiado pela National Science Foundation, pela Gordon and Betty Moore Foundation e pela Japan Society for the Promotion of Science.