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Os superfluidos são um tópico fascinante na pesquisa da física moderna. Governados pela mecânica quântica e conhecidos por seu fluxo sem atrito, os superfluidos intrigaram os cientistas com suas propriedades incomuns e aplicações de longo alcance.
Pesquisadores da FAMU-FSU College of Engineering, liderados pelo professor Wei Guo, alcançaram um marco inovador no estudo de como os vórtices se movem nesses fluidos quânticos. Seu estudo do movimento do anel de vórtice em hélio superfluido, publicado em Natureza Comunicaçõesfornece evidências cruciais que suportam um modelo teórico recentemente desenvolvido de vórtices quantizados.
“Nossas descobertas resolvem questões de longa data e aprimoram nossa compreensão da dinâmica do vórtice dentro do superfluido”, disse Guo.
Uma característica fundamental dos superfluidos é a presença de vórtices quantizados – tubos finos e ocos que se assemelham a tornados em miniatura. Estes desempenham papéis significativos em fenômenos como turbulência no hélio superfluido e falhas na rotação de estrelas de nêutrons. No entanto, prever com precisão o movimento dos vórtices provou ser um desafio.
Para resolver isso, a equipe de pesquisa usou partículas traçadoras de deutério solidificadas que foram capturadas dentro dos anéis do vórtice. Ao iluminá-los com um laser de imagem em forma de folha, a equipe capturou imagens precisas e quantificou seu movimento.
Os pesquisadores também realizaram simulações usando vários modelos teóricos e demonstraram que apenas o modelo bidirecional autoconsistente recentemente proposto, ou modelo S2W, reproduz com precisão o movimento do anel de vórtice observado. 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.
“Isso foi exatamente o que vimos”, disse Yuan Tang, pesquisador de pós-doutorado no Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético da Universidade Estadual da Flórida. “Esta pesquisa fornece a primeira evidência experimental que suporta o modelo S2W.”
A importância dessa descoberta vai além do hélio superfluido. O modelo S2W validado é promissor para aplicações em outros sistemas de fluidos quânticos, como condensados atômicos de Bose-Einstein e estrelas de nêutrons superfluidas.
“Estamos entusiasmados com as possibilidades que o modelo S2W oferece para estudos futuros”, disse Guo. “Agora que confirmamos sua validade para o hélio superfluido, pretendemos aplicar esse modelo a outros sistemas de fluidos quânticos e explorar novos desafios científicos”.
A colaboração de pesquisa incluiu os co-autores 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 financiado pela National Science Foundation, a Gordon and Betty Moore Foundation e a Japan Society for the Promotion of Science.
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