La turbulencia cuántica es el nombre que se le da al flujo turbulento , el movimiento caótico de un fluido a altas velocidades de flujo, de fluidos cuánticos, como los superfluidos que se han enfriado a temperaturas cercanas al cero absoluto.
Introducción
La turbulencia de los fluidos clásicos es un fenómeno cotidiano, que se puede observar fácilmente en el flujo de un arroyo o río. Al abrir un grifo de agua, uno nota que al principio el agua fluye de manera regular (llamado flujo laminar), pero si el grifo se abre a velocidades de flujo más altas, el flujo se decora con protuberancias irregulares, dividiéndose de manera impredecible en múltiples hebras mientras se esparce en un torrente en constante cambio, conocido como flujo turbulento. El flujo turbulento comprende regiones de fluido circulante de tamaño aleatorio llamadas remolinos y vórtices, que pueden ordenarse, dando lugar a movimientos a gran escala como tornados o remolinos, pero en general son completamente irregulares.
En condiciones normales, todos los fluidos tienen una resistencia al flujo, llamada viscosidad, que gobierna el cambio de flujo laminar a turbulento y hace que la turbulencia decaiga (por ejemplo, después de que se agita una taza de café, eventualmente volverá a descansar). . Un superfluido es un fluido que no tiene viscosidad o resistencia al flujo, lo que significa que el flujo alrededor de un circuito cerrado durará para siempre. Estos extraños fluidos existen solo a temperaturas cercanas al cero absoluto, siendo en efecto un estado fluido más ordenado y separado, que surge debido a la influencia macroscópica de la mecánica cuántica provocada por las bajas temperaturas involucradas.
A pesar de no tener viscosidad, la turbulencia es posible en un superfluido. Esto fue sugerido teóricamente por primera vez por Richard Feynman en 1955, [1] y pronto se encontró experimentalmente. Dado que el flujo de un superfluido es un fenómeno cuántico inherente (ver fenómenos cuánticos macroscópicos y helio-4 superfluido ), la turbulencia en los superfluidos a menudo recibe el nombre de turbulencia cuántica para reflejar el papel clave que desempeña la mecánica cuántica. Skrbek ofrece una descripción general reciente de la turbulencia cuántica. [2]
En estos llamados "superfluidos", los vórtices tienen un tamaño fijo y son idénticos. Esta es otra propiedad sorprendente de los superfluidos, que es muy diferente de los vórtices aleatorios en un fluido clásico y surge de la física cuántica cuyos efectos se vuelven observables a mayor escala a bajas temperaturas. La turbulencia cuántica, entonces, es una maraña de estos vórtices cuantificados, lo que la convierte en una forma pura de turbulencia que es mucho más simple de modelar que la turbulencia clásica, en la que innumerables interacciones posibles de los remolinos rápidamente hacen que el problema sea demasiado complejo para poder predecir qué. pasará.
La turbulencia en el fluido clásico a menudo se modela simplemente usando filamentos de vórtice virtual, alrededor de los cuales hay una cierta circulación del fluido, para comprender lo que está sucediendo en el fluido. En la turbulencia cuántica, estas líneas de vórtice son reales, se pueden observar y tienen una circulación muy definida, y además proporcionan la totalidad de la física de la situación.
El modelo de dos fluidos
El helio II se considera teóricamente útil como una mezcla de fluido normal y superfluido, que tiene una densidad total igual a la suma de las densidades de los dos componentes. La parte normal se comporta como cualquier otro líquido y la parte superfluida fluye sin resistencia. Las proporciones de los dos componentes cambian continuamente de todo fluido normal a la temperatura de transición (2.172 K) a todo superfluido a temperatura cero. Se pueden encontrar más detalles en los artículos sobre superfluido helio-4 y fenómenos cuánticos macroscópicos .
En turbulencia, el fluido normal se comporta como un fluido clásico y tiene un campo de velocidad clásicamente turbulento cuando un superfluido experimenta turbulencia. En el componente superfluido, sin embargo, la vorticidad está restringida a las líneas de vórtice cuantificadas y no hay disipación viscosa. En turbulencia, las líneas de vórtice se organizan de manera irregular, y esto se describe como una "maraña de vórtices". Esta maraña de vórtices media una interacción entre el superfluido y el componente normal conocida como fricción mutua.
Desarrollos experimentales
La superfluidez solo se observa "naturalmente" en dos líquidos: helio-4 y el isótopo más raro, helio-3. La turbulencia cuántica se descubrió por primera vez en 4 He puro en un contraflujo (donde los componentes normal y superfluido fluyen en direcciones opuestas) generado por una corriente de calor constante. Ver superfluido helio-4 . Dado que el modelo de dos fluidos, y por lo tanto el contraflujo en sí, es exclusivo de los superfluidos, esta turbulencia de contraflujo no se observa de manera clásica; las primeras observaciones de turbulencia con contrapartes clásicas directas se han producido mucho más recientemente a través de la investigación de las fluctuaciones de presión en el flujo rotacional y la turbulencia de la rejilla.
En 3 He- 4 mezclas de él, como en refrigeradores de dilución , la turbulencia cuántica se puede crear muy por debajo de 1 K si las velocidades exceden ciertos valores críticos. [3] Para velocidades superiores a la velocidad crítica, existe una interacción disipativa entre el componente superfluido y el 3 He que se denomina fricción mutua.
Segundo sonido
El segundo sonido es una onda en la que las densidades de los componentes superfluido y normal oscilan fuera de fase entre sí. Gran parte de nuestro conocimiento sobre la turbulencia en los superfluidos proviene de la medición de la atenuación del segundo sonido, que da una medida de la densidad de las líneas de vórtice en el superfluido.
Desarrollos teóricos
La idea de que una forma de turbulencia podría ser posible en un superfluido a través de las líneas de vórtice cuantificadas fue sugerida por primera vez por Richard Feynman . Desde entonces, la comprensión teórica de la turbulencia cuántica ha planteado muchos desafíos, algunos similares a los de la mecánica de fluidos clásica, pero también nuevos fenómenos propios de los superfluidos y que no se encuentran en ningún otro lugar. Parte del trabajo teórico en este campo es bastante especulativo, y hay varias áreas de divergencia entre las especulaciones teóricas y lo que se ha obtenido experimentalmente.
Las simulaciones por computadora juegan un papel particularmente importante en el desarrollo de una comprensión teórica de la turbulencia cuántica. [4] [5] Han permitido comprobar resultados teóricos y desarrollar simulaciones de dinámica de vórtices.
Simulaciones numéricas de enredos de vórtices, base para las reconexiones de vórtices, [6] conexiones entre haces investigadas recientemente.
Referencias
- ^ RP Feynman (1955). "Aplicación de la mecánica cuántica al helio líquido". II. Progreso en Física de Baja Temperatura . 1 . Amsterdam: Compañía editorial de Holanda Septentrional.
- ^ L. Skrbek (2011). "Turbulencia cuántica" . Journal of Physics: Serie de conferencias . 318 (1): 012004. Código bibliográfico : 2011JPhCS.318a2004S . doi : 10.1088 / 1742-6596 / 318/1/012004 .
- ^ JCH Zeegers; RGKM Aarts; ATAM de Waele y HM Gijsman (1992). "Velocidades críticas en 3 He- 4 mezclas Él por debajo de 100 mK". Physical Review B . 45 (21): 12442–12456. Código Bibliográfico : 1992PhRvB..4512442Z . doi : 10.1103 / PhysRevB.45.12442 .
- ^ KW Schartz (1983). "Velocidad crítica para una maraña de vórtice autosostenida en helio superfluido". Cartas de revisión física . 50 (5): 364. Bibcode : 1983PhRvL..50..364S . doi : 10.1103 / PhysRevLett.50.364 .
- ^ RGKM Aarts y ATAM de Waele (1994). "Investigación numérica de las propiedades de flujo de He II". Physical Review B . 50 (14): 10069–10079. Código bibliográfico : 1994PhRvB..5010069A . doi : 10.1103 / PhysRevB.50.10069 .
- ^ ATAM de Waele y RGKM Aarts (1994). "Ruta a la reconexión del vórtice". Cartas de revisión física . 72 (4): 482–485. Código Bibliográfico : 1994PhRvL..72..482D . doi : 10.1103 / PhysRevLett.72.482 . PMID 10056444 .
Otras lecturas
- Paoletti, MS; Lathrop, DP (2011). "Turbulencia cuántica" . Revisión anual de la física de la materia condensada . 2 : 213-234. Código bibliográfico : 2011ARCMP ... 2..213P . doi : 10.1146 / annurev-conmatphys-062910-140533 .
- Blanco, AC; et al. (2014). "Vórtices y turbulencias en condensados atómicos atrapados" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 111 : 4719–4726. arXiv : 1304.5332 . doi : 10.1073 / pnas.1312737110 . PMC 3970853 . PMID 24704880 .
- Tsatsos, MC; et al. (2016). "Turbulencia cuántica en condensados atómicos atrapados de Bose-Einstein". Informes de física . 622 : 1–52. arXiv : 1512.05262 . Código Bib : 2016PhR ... 622 .... 1T . doi : 10.1016 / j.physrep.2016.02.003 .
Ver también
- Helio-4 superfluido
- Fenómenos cuánticos macroscópicos
- Vórtice cuántico
- Turbulencia cuántica 2D