miércoles, 24 de septiembre de 2014

Explorando tornados cuánticos en gotas de helio líquido

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Un experimento revela una bien organizada red tridimensional de “tornados” cuánticos dentro de gotas microscópicas de helio líquido superfrío, la primera vez que esta formación ha sido vista a tal escala.

Los descubrimientos hechos a raíz de este experimento, realizado en el Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC en California, Estados Unidos, por un equipo internacional de investigación, proporcionan nuevos y reveladores datos sobre los extraños rasgos del llamado estado “superfluido” del helio líquido en diminutas gotas aisladas. Cuando se le enfría de manera extrema, el helio líquido se comporta según las reglas de la mecánica cuántica que se aplican a la materia a las escalas más pequeñas, desafiando las leyes de la física clásica. Este estado superfluido es uno de los pocos ejemplos de comportamiento cuántico a una escala lo bastante grande como para hacer más fácil la observación y estudio de ese comportamiento.

Los resultados obtenidos por el equipo de Christoph Bostedt, científico del Laboratorio del Acelerador Nacional SLAC, podrían ayudar a esclarecer un poco algunos estados cuánticos similares, tales como los de los materiales superconductores, que conducen electricidad con un 100 por cien de eficiencia, o los extraños conjuntos de partículas conocidos como condensados de Bose-Einstein, que actúan como una sola unidad.

Lo que Bostedt y sus colegas han hallado en este experimento ha sido sorprendente, según sus palabras textuales. “Pudimos ver una manifestación del mundo cuántico a una escala macroscópica”, enfatiza Ken Ferguson, del equipo de investigación.

Si bien se han visto antes diminutos tornados en helio muy frío, no habían sido vistos en tales gotas diminutas, donde se encontraban 100.000 veces más densamente concentrados que en cualquier otro experimento anterior sobre superfluidos. Desde hace décadas, los investigadores saben que cuando se hace rotar helio superfluido (por ejemplo dentro de un pequeño cubo giratorio), la rotación produce vórtices cuánticos, tornados que se distribuyen de forma regular por el líquido. Pero nunca hasta ahora se había resuelto el enigma de si este comportamiento se podría ver en una gota aislada y con un tamaño tan pequeño como desde decenas de nanómetros hasta unos pocos micrones.

El helio puede ser enfriado hasta tal extremo (cerca del Cero Absoluto, la temperatura más baja que puede existir en el universo) que se convierte en una sustancia sin fricción, que permanece líquida muy por debajo del punto de congelación de la mayor parte de los fluidos. Los átomos de helio en ese estado exótico tienen una especie de temblor colectivo incesante, un estado cuántico de movimiento perpetuo que evita que se congelen. Cuando el helio líquido adquiere superfluidez, sus átomos dejan de vibrar con la energía calorífica y en vez de eso se quedan en un estado exótico en el que todos los átomos actúan al unísono, como si fueran una única partícula.

Las propiedades incomparables del helio superfluido le permiten recubrir todas las caras del contenedor donde se le haya depositado, trepando incluso por ellas, y además puede filtrarse a través de agujeros del tamaño de moléculas que hubieran mantenido dentro al mismo líquido a temperaturas más altas.

Bajo las condiciones del experimento, cada gota minúscula de helio líquido superfluido adquirió una rotación de hasta 2 millones de giros por segundo. Mediante un láser de rayos X se examinó el interior de diversas gotitas individuales, revelando en ellas docenas de diminutos torbellinos, llamados “vórtices cuánticos”, o también “tornados cuánticos”.

La rápida rotación de las gotas de helio ultrafrías causó la formación de un patrón tridimensional denso, con los vórtices repartidos de manera equidistante. Esta formación exótica, que se parece a la estructura ordenada de un cristal sólido y proporciona la prueba del estado cuántico de las gotas, es muy diferente de la del remolino solitario que se formaría en un líquido normal, como en una taza de café donde este es removido enérgicamente con una cuchara.

Los investigadores descubrieron también formas sorprendentes en algunas gotas de superfluido. En un líquido normal, las gotas pueden adoptar formas parecidas a la de un cacahuete cuando giran muy rápido, pero las gotas de superfluido tomaron una forma muy distinta. En los casos más espectaculares, protagonizados por aproximadamente un 1 por ciento de ellas, las inesperadas formas adoptadas tenían aspecto de rueda o volante, y alcanzaron velocidades de rotación nunca observadas en sus homólogas clásicas. (NCYT)

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