¿Cómo reacciona un fluido cuántico ante un obstáculo?

Investigadores europeos han observado, por primera vez, las perturbaciones que sufre un fluido cuántico cuando se cruza con un obstáculo y cómo se disipa su energía. El estudio, dirigido desde el Centro Nacional de Investigaciones Científicas (CNRS, por sus siglas en francés) de Francia, proporciona nuevos sistemas con los que estudiar la mecánica cuántica a escala macroscópica.

“Las partículas de un fluido clásico –moléculas de agua, por ejemplo– se pueden distinguir unas de otras y observar su trayectoria, pero en un fluido cuántico, las partículas están deslocalizadas y se deben describir como una gran onda cuántica colectiva”, explica a SINC Alberto Amo, uno de los autores del estudio e investigador del CNRS.

Como consecuencia, este fluido cuántico se comporta siempre como un líquido, “incluso a las más bajas temperaturas a las que un fluido clásico se congelaría formando un sólido”, apunta Amo, y adopta un estado superfluido que le hace fluir de manera interminable sin que haya fricción ni se disipe energía.

Investigadores europeos han logrado, por primera vez, observar las perturbaciones que causa un obstáculo cuando se cruza con un fluido cuántico. Y también, cómo se produce la transición de su estado superfluido a un estado en el que la energía se disipa mediante la formación de vórtices –movimientos similares a un remolino– y solitones –ondas aisladas cuya forma se mantiene intacta según se propagan–.

Según el investigador, estudios como este, cuyos resultados se han publicado en la revista Science, son importantes porque “proporcionan nuevos sistemas con los que estudiar la mecánica cuántica a escala macroscópica”. Normalmente, los efectos de la mecánica cuántica se observan en sistemas muy pequeños, pero “en los fluidos de polaritones podemos crear estados cuánticos de tamaño macroscópico, de varios milímetros”.

Fluido clásico vs. fluido cuántico

Los científicos crearon el equivalente cuántico de un fluido clásico como el agua con polaritones, partículas mitad luz, mitad materia, que se forman por la interacción fuerte entre fotones y electrones en un sólido. “Estas partículas están confinadas en un microchip semiconductor y pueden crearse con un láser que lo ilumine”, explica Amo. A continuación, observaron qué sucedía al fluir ante un obstáculo.

“Si en un fluido clásico la presencia de un obstáculo en su corriente genera remolinos y olas, en nuestro fluido cuántico generó vórtices cuánticos y solitones oscuros, ondas cuya densidad es inferior a la del fluido de su alrededor y que provoca que se creen huecos en el líquido”, explica el científico. Además, “si la velocidad del fluido es suficientemente baja, el líquido pasa alrededor del obstáculo sin fricción, algo que no tiene equivalente en los fluidos clásicos”, añade.

Por otro lado, la creación del líquido con polaritones podría permitir en el futuro realizar estudios similares a temperatura ambiente. “La superfluidez, o su ‘prima cercana’, la superconductividad, son fenómenos que aparecen a muy bajas temperaturas debido a la gran masa de las partículas que forman estos fluidos (átomos de helio, electrones)”, indica el experto.

Aunque los experimentos se han realizado a –260 ºC, “la componente fotónica de los polaritones hace que tengan una masa muy pequeña (cien mil veces menor que la de los electrones), y esto nos permitirá en el futuro realizar este tipo de estudios a temperatura ambiente”, concluye.

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Referencia bibliográfica:

A. Amo, S. Pigeon, D. Sanvitto, V. G. Sala, R. Hivet, I. Carusotto, F. Pisanello, G. Leménager, R. Houdré, E Giacobino, C. Ciuti, A. Bramati. “Polariton Superfluids Reveal Quantum Hydrodynamic Solitons”. Science, Vol. 332, 3 de junio de 2011. DOI: 10.1126/science.1202307

Fuente: SINC