Para algunos, el sonido de un "flujo perfecto" puede ser el suave lamido de un arroyo en el bosque o tal vez el tintineo del agua que sale de una jarra. Para los físicos, un flujo perfecto es más específico, refiriéndose a un fluido que fluye conla menor cantidad de fricción, o viscosidad, permitida por las leyes de la mecánica cuántica. Este comportamiento perfectamente fluido es raro en la naturaleza, pero se cree que ocurre en los núcleos de las estrellas de neutrones y en el plasma espeso del universo primitivo.
Ahora, los físicos del MIT han creado un fluido perfecto en el laboratorio y han escuchado cómo viajan las ondas sonoras a través de él. La grabación es producto de un glissando de ondas sonoras que el equipo envió a través de un gas cuidadosamente controlado de partículas elementales conocidas como fermiones.. Los tonos que se pueden escuchar son las frecuencias particulares en las que el gas resuena como una cuerda pulsada.
Los investigadores analizaron miles de ondas sonoras que viajan a través de este gas para medir su "difusión del sonido" o la rapidez con que el sonido se disipa en el gas, lo que está relacionado directamente con la viscosidad de un material o la fricción interna.
Sorprendentemente, encontraron que la difusión del sonido del fluido era tan baja que podía describirse mediante una cantidad "cuántica" de fricción, dada por una constante de la naturaleza conocida como constante de Planck, y la masa de los fermiones individuales en el fluido.
Este valor fundamental confirmó que el gas fermión que interactúa fuertemente se comporta como un fluido perfecto y es de naturaleza universal. Los resultados, publicados hoy en la revista ciencia , demuestre la primera vez que los científicos han podido medir la difusión del sonido en un fluido perfecto.
Los científicos ahora pueden usar el fluido como un modelo de otros flujos perfectos más complicados, para estimar la viscosidad del plasma en el universo temprano, así como la fricción cuántica dentro de las estrellas de neutrones, propiedades que de otro modo serían imposibles de calcular.. Los científicos incluso podrían predecir aproximadamente los sonidos que hacen.
"Es bastante difícil escuchar una estrella de neutrones", dice Martin Zwierlein, profesor de física Thomas A. Franck en el MIT. "Pero ahora se puede imitar en un laboratorio usando átomos, agitar esa sopa atómica y escucharla.y saber cómo sonaría una estrella de neutrones ".
Si bien una estrella de neutrones y el gas del equipo difieren ampliamente en términos de su tamaño y la velocidad a la que viaja el sonido, a partir de algunos cálculos aproximados, Zwierlein estima que las frecuencias de resonancia de la estrella serían similares a las del gas, e incluso audibles ...- "Si pudieras acercarte la oreja sin que la gravedad te partiera", añade.
Los coautores de Zwierlein son el autor principal Parth Patel, Zhenjie Yan, Biswaroop Mukherjee, Richard Fletcher y Julian Struck del MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms.
Toque, escuche, aprenda
Para crear un fluido perfecto en el laboratorio, el equipo de Zwierlein generó un gas de fermiones que interactúan fuertemente: partículas elementales, como electrones, protones y neutrones, que se consideran los componentes básicos de toda la materia. Un fermión se define por suEspín medio entero, una propiedad que evita que un fermión asuma el mismo espín que otro fermión cercano. Esta naturaleza exclusiva es lo que permite la diversidad de estructuras atómicas que se encuentran en la tabla periódica de elementos.
"Si los electrones no fueran fermiones, pero felices de estar en el mismo estado, el hidrógeno, el helio y todos los átomos, y nosotros mismos, tendríamos el mismo aspecto, como una sopa terrible y aburrida", dice Zwierlein.
Los fermiones naturalmente prefieren mantenerse separados unos de otros. Pero cuando se les hace interactuar fuertemente, pueden comportarse como un fluido perfecto, con una viscosidad muy baja. Para crear un fluido tan perfecto, los investigadores primero utilizaron un sistema de láseres paraatrapan un gas de átomos de litio-6, que se consideran fermiones.
Los investigadores configuraron con precisión los láseres para formar una caja óptica alrededor del gas del fermión. Los láseres se ajustaron de modo que cada vez que los fermiones golpearan los bordes de la caja, rebotaran en el gas. Además, las interacciones entre los fermiones se controlaron paratan fuerte como lo permite la mecánica cuántica, de modo que dentro de la caja, los fermiones tenían que chocar entre sí en cada encuentro. Esto hizo que los fermiones se convirtieran en un fluido perfecto.
"Teníamos que hacer un fluido con densidad uniforme, y solo entonces podíamos hacer tapping en un lado, escuchar el otro lado y aprender de él", dice Zwierlein. "En realidad, fue bastante difícil llegar a este lugar dondepodríamos usar el sonido de esta forma aparentemente natural ".
"Fluye de manera perfecta"
El equipo luego envió ondas de sonido a través de un lado de la caja óptica simplemente variando el brillo de una de las paredes, para generar vibraciones similares a sonidos a través del fluido en frecuencias particulares. Grabaron miles de instantáneas del fluido a medida que cada sonidoonda ondulada a través.
"Todas estas instantáneas juntas nos dan una ecografía, y es un poco como lo que se hace cuando se realiza una ecografía en el consultorio del médico", dice Zwierlein.
Al final, pudieron observar la ondulación de la densidad del fluido en respuesta a cada tipo de onda de sonido. Luego buscaron las frecuencias de sonido que generaban una resonancia, o un sonido amplificado en el fluido, similar a cantar a un vino.vidrio y encontrar la frecuencia con la que se rompe.
"La calidad de las resonancias me dice sobre la viscosidad del fluido, o la difusividad del sonido", explica Zwierlein. "Si un fluido tiene baja viscosidad, puede generar una onda de sonido muy fuerte y ser muy fuerte, si se golpea solo en elfrecuencia correcta. Si es un fluido muy viscoso, entonces no tiene buenas resonancias ".
A partir de sus datos, los investigadores observaron resonancias claras a través del fluido, particularmente a bajas frecuencias. A partir de la distribución de estas resonancias, calcularon la difusión del sonido del fluido. Este valor, descubrieron, también podría calcularse de manera muy simple a través de la constante de Planck yla masa del fermión promedio en el gas.
Esto les dijo a los investigadores que el gas era un fluido perfecto y de naturaleza fundamental: su difusión de sonido, y por lo tanto su viscosidad, estaba en el límite más bajo posible establecido por la mecánica cuántica.
Zwierlein dice que además de usar los resultados para estimar la fricción cuántica en materia más exótica, como las estrellas de neutrones, los resultados pueden ser útiles para comprender cómo se puede hacer que ciertos materiales exhiban un flujo superconductor perfecto.
"Este trabajo se conecta directamente a la resistencia en los materiales", dice Zwierlein. "Habiendo descubierto cuál es la resistencia más baja que podría tener un gas, nos dice qué puede suceder con los electrones en los materiales y cómo se pueden hacer materiales donde los electrones podrían fluirde una manera perfecta. Eso es emocionante ".
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la National Science Foundation y el NSF Center for Ultrafold Atoms, la Air Force Office of Scientific Research, la Office of Naval Research y la David and Lucile Packard Foundation.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :