Por primera vez, los investigadores han controlado y observado con éxito las ondas de Kelvin en el helio-4 superfluido, marcando un paso significativo para comprender la disipación de energía en los sistemas cuánticos. El estudio ha proporcionado un método controlado para excitar estas ondas helicoidales, que anteriormente solo se habían observado en condiciones impredecibles. La investigación abre nuevas posibilidades para estudiar vórtices cuantificados y su papel en la transferencia de energía en el cuántico nivel.
Excitación controlada de las olas Kelvin
Según el estudiar Publicado en Nature Physics, también disponible en arxivKelvin Waves, primero descrito por Lord Kelvin en 1880, son perturbaciones helicoidales que viajan a lo largo de las líneas de vórtice en los sistemas superfluidos. Estas ondas juegan un papel crucial en la disipación de energía dentro de los fluidos cuánticos, pero han seguido siendo difícil de estudiar debido a los desafíos de la excitación controlada.
Profesor Asociado Yosuke Minowa de la Universidad de Kyoto, el autor principal del estudio, dijo Phys.org que el avance ocurrió inesperadamente. Se aplicó un campo eléctrico a una decoración de nanopartículas un vórtice cuantificado con la intención de mover la estructura. En cambio, el núcleo de vórtice exhibió un movimiento ondulado distintivo, lo que llevó a los investigadores a cambiar su enfoque hacia la excitación controlada de las ondas de Kelvin.
Propiedades superfluas y comportamiento de vórtice cuántico
El helio-4 superfluido, que exhibe efectos cuánticos en escalas macroscópicas cuando se enfría por debajo de 2.17 Kelvin, no tiene viscosidad, lo que le permite fluir sin fricción. Este estado único evita que la energía se disipe como calor, lo que lleva a la formación de ondas Kelvin cuando se producen perturbaciones en las líneas de vórtice del fluido. El equipo de investigación demostró que estas ondas, en lugar de la turbulencia de fluidos tradicional, proporcionan un mecanismo esencial para la transferencia de energía en los sistemas superfluidos.
Nanopartículas utilizadas para la visualización de ondas
Para rastrear la moción de Kelvin Waves, los investigadores introdujeron nanopartículas de silicio en el helio-4 superfluido en 1.4 Kelvin dirigiendo un láser a una oblea de silicio sumergida en el fluido. Algunas nanopartículas quedaron atrapadas dentro de los núcleos de vórtice, haciéndolas visibles en condiciones controladas. Luego se aplicó un campo eléctrico variable en el tiempo, forzando oscilaciones en las partículas atrapadas y generando una onda helicoidal a lo largo del vórtice.
Se realizaron experimentos a través de diferentes frecuencias de excitación que van desde 0.8 a 3.0 Hertz. Un sistema de doble cámara permitió la reconstrucción tridimensional del movimiento de la ola, confirmando su naturaleza helicoidal.
Confirmación experimental e investigación futura
El profesor Minowa explicó a Phys.org que probar el fenómeno observado era de hecho una onda Kelvin requirió un análisis en profundidad de las relaciones de dispersión, la velocidad de fase y la dinámica tridimensional. Al reconstruir la moción del vórtice en 3D, los investigadores proporcionaron evidencia directa de la mano de la ola, confirmando su estructura helicoidal zurda, algo nunca antes demostrado experimentalmente.
Para validar sus hallazgos, el equipo desarrolló un modelo de filamento de vórtice, que simuló la excitación de la ola de Kelvin en condiciones similares. Estas simulaciones confirmaron que las oscilaciones forzadas de una nanopartícula cargada generaron ondas helicoidales en ambas direcciones, alineándose con resultados experimentales.
El estudio introduce un nuevo enfoque para estudiar las olas de Kelvin en el helio superfluido, ofreciendo información sobre la mecánica de los vórtices cuantificados. La investigación futura puede explorar los procesos de no linealidad y descomposición de las ondas de Kelvin, lo que puede revelar más detalles sobre la dinámica de fluidos cuánticos.
