Pueden formarse gigantes “tornados cuánticos” en la luz líquida: similitudes con los agujeros negros

Pueden formarse gigantes "tornados cuánticos" en la luz líquida. Crédito: Universidad de Cambridge
Pueden formarse gigantes "tornados cuánticos" en la luz líquida. Crédito: Universidad de Cambridge

Nuevo mecanismo encontrado para generar vórtices gigantes en fluidos cuánticos de luz.

Cualquiera que haya vaciado una bañera o mezclado crema en el café ha visto un vórtice, una formación ubicua que aparece cuando circula el líquido. 

Pero a diferencia del agua, los fluidos regidos por las extrañas reglas de la mecánica cuántica tienen una restricción especial: como predijo por primera vez en 1945 el futuro ganador del Nobel Lars Onsager, un vórtice en un fluido cuántico solo puede girar en unidades de números enteros.

Se predice que estas estructuras giratorias serán ampliamente útiles para estudiar todo, desde sistemas cuánticos hasta agujeros negros. 

Pero mientras que el vórtice cuántico más pequeño posible, con una sola unidad de rotación, se ha visto en muchos sistemas, los vórtices más grandes no son estables. 

Si bien los científicos han intentado obligar a los vórtices más grandes a mantenerse unidos, los resultados han sido contradictorios: cuando se han formado los vórtices, la severidad de los métodos utilizados generalmente ha destruido su utilidad.

Ahora, Samuel Alperin y la profesora Natalia Berloff de la Universidad de Cambridge han descubierto un mecanismo teórico a través del cual los vórtices cuánticos gigantes no solo son estables sino que se forman por sí mismos en fluidos casi uniformes. 

Los hallazgos, publicados en la revista Optica, podrían allanar el camino para experimentos que podrían proporcionar información sobre la naturaleza de los agujeros negros giratorios que tienen similitudes con vórtices cuánticos gigantes.

Para hacer esto, los investigadores utilizaron un híbrido cuántico de luz y materia, llamado polaritón. 

Estas partículas se forman proyectando luz láser sobre materiales en capas especiales. “Cuando la luz queda atrapada en las capas, la luz y la materia se vuelven inseparables, y se vuelve más práctico ver la sustancia resultante como algo que es distinto de la luz o la materia, mientras hereda las propiedades de ambos”, dijo Alperin. estudiante de doctorado en el Departamento de Matemáticas Aplicadas y Física Teórica de Cambridge.

Una de las propiedades más importantes de los polaritones proviene del simple hecho de que la luz no puede quedar atrapada para siempre. 

Un fluido de polaritones, que requiere una alta densidad de partículas exóticas, expulsa luz constantemente y necesita ser alimentado con luz fresca del láser para sobrevivir. 

“El resultado”, dijo Alperin, “es un fluido al que nunca se le permite asentarse y que no necesita obedecer lo que suelen ser restricciones básicas en física, como la conservación de la energía. 

Aquí la energía puede cambiar como parte de la dinámica del fluido”.

“Que el vórtice gigante realmente pueda existir en condiciones que sean adecuadas para su estudio y uso técnico fue bastante sorprendente”, dijo Alperin, “pero en realidad solo demuestra cuán completamente distinta es la hidrodinámica de los polaritones de los fluidos cuánticos más bien estudiados. . Es un territorio emocionante “.

Los investigadores dicen que están apenas al comienzo de su trabajo sobre vórtices cuánticos gigantes. 

Fueron capaces de simular la colisión de varios vórtices cuánticos mientras bailan entre sí con una velocidad cada vez mayor hasta que chocan para formar un único vórtice gigante análogo a la colisión de los agujeros negros. 

También explicaron las inestabilidades que limitan el tamaño máximo del vórtice mientras exploran la intrincada física del comportamiento del vórtice.

“Estas estructuras tienen algunas propiedades acústicas interesantes: tienen resonancias acústicas que dependen de su rotación, por lo que en cierto modo cantan información sobre sí mismas”, dijo Alperin. “Matemáticamente, es bastante análogo a la forma en que los agujeros negros en rotación irradian información sobre sus propias propiedades”.

Los investigadores esperan que la similitud pueda conducir a nuevos conocimientos sobre la teoría de la dinámica de fluidos cuántica, pero también dicen que los polaritones podrían ser una herramienta útil para estudiar el comportamiento de los agujeros negros.

Referencia: “Multiply charged vortex states of polariton condensates” by Samuel N. Alperin and Natalia G. Berloff, 1 March 2021, Optica.

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