Investigadores ven por primera vez ondas de Kelvin en un 'tornado' cuántico

Investigadores de la Universidad de Maryland (UMD), en Estados Unidos, proporcionan evidencia visual que confirma que la reconexión de tornados cuánticos provoca ondas de Kelvin. 

El estudio, financiado por la Fundación Nacional de Ciencia, se publica esta semana en la edición digital temprana de 'Proceedings of the National Academy of Sciences'.


"No nos sorprendió ver ondas de Kelvin en el vórtice cuántico, pero estábamos contentos de verlas porque nunca antes se habían conseguido", celebra Daniel Lathrop, profesor de Física de la UMD. "Ver las ondas de Kelvin proporcionó la primera evidencia experimental de que las teorías anteriores que predecían que serían lanzadas desde una reconexión de torbellinos eran correctas", añade.

Al quitar el agua de una bañera, se forma una especie de tornado que gira, puesto que el flujo descendente del agua en el desagüe hace que el agua gire y la rotación se acelere, formándose una espiral que obedece a las leyes de la mecánica clásica. Sin embargo, si el agua es helio líquido extremadamente frío, el fluido se arremolina alrededor de una línea invisible para formar un torbellino que obedece a las leyes de la mecánica cuántica.

A veces, dos de estos tornados cuánticos se doblan en líneas curvas, se cruzan uno sobre otro formando una X, termina el intercambio y luego se retiran violentamente uno del otro, un proceso llamado reconexión. Las simulaciones por ordenador sugieren que después de que estas espirales se alejen una de otra, se desarrollan las llamadas "ondas de Kelvin" para lograr rápidamente deshacerse de la energía causada por la conexión y relajar el sistema, pero la existencia de estas ondas nunca se ha demostrado experimentalmente.

Entender la turbulencia en los fluidos cuánticos, como el helio líquido ultrafrío, puede ofrecer pistas sobre las estrellas de neutrones, los sistemas de átomos atrapados y los superconductores, que son materiales que conducen la electricidad sin resistencia por debajo de ciertas temperaturas, desarrollando espirales cuantizadas. Comprender el comportamiento de los vórtices puede ayudar a los científicos a desarrollar superconductores que mantengan sus propiedades a densidades de corriente más altas.

Los físicos Richard Feynman y Lars Onsager predijeron la existencia de vórtices cuánticos hace más de medio siglo pero nadie había visto tornados cuánticos hasta 2006. En el laboratorio de Lathrop en la UMD, los expertos prepararon un cilindro de helio superfrío, a dos grados centígrados sobre cero absoluto, inyectado con partículas indicadoras congeladas hechas de aire de la atmósfera y gases de helio.

Cuando iluminaron con un rayo láser el cilindro, los investigadores vieron partículas atrapadas en los vórtices, como gotas de rocío sobre una telaraña. "Se había predicho la existencia de ondas de Kelvin sobre vórtices cuantizados, pero los experimentos fueron un reto porque teníamos que llevarlas a cabo a temperaturas más bajas que experimentos anteriores", resalta Lathrop.

Desde 2006, los investigadores han utilizado la misma técnica para examinar más a fondo torbellinos cuánticos. Durante un experimento en febrero de 2012, fueron testigos de un evento de reconexión único: un tornado se reconecta con otro y una onda se propaga por la espiral. Para estudiar cuantitativamente el movimiento de la onda, siguieron la posición de las partículas en el vórtice y las formas de onda resultantes estaban generalmente de acuerdo con las teorías de ondas de Kelvin que se propagan de espirales cuánticas.

"Estas primeras observaciones de ondas de Kelvin seguramente darán lugar a nuevas y emocionantes experiencias que amplían nuestro conocimiento de estos movimientos cuánticos exóticos", agrega Lathrop. En el futuro, este investigador planea utilizar nanopartículas fluorescentes para investigar qué ocurre cerca de la transición al estado superfluido.