Los físicos capturan el sonido de un fluido «perfecto»

Los resultados deberían ayudar a los científicos a estudiar la viscosidad en las estrellas de neutrones, el plasma del universo temprano y otros fluidos que interactúan fuertemente. Los científicos han capturado el sonido de un «fluido perfecto», que fluye con la menor cantidad de fricción permitida por las leyes de la mecánica cuántica.
Jennifer Chu | Oficina de noticias del MIT
Créditos: Foto: Christine Daniloff, MIT

Para algunos, el sonido de un «flujo perfecto» podría ser el suave lamido de un arroyo en el bosque o quizás el tintineo del agua vertida de una jarra. Para los físicos, un flujo perfecto es más específico, refiriéndose a un fluido que fluye con la 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 descubierto que suena así:

Esta 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 o fricción interna de un material.

Sorprendentemente, encontraron que la difusión del sonido del fluido era tan baja como para ser descrita por 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 Science, demuestran 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 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. Frank en el MIT. «Pero ahora puedes imitarlo 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 se puede acercar la oreja sin que la gravedad lo rompa ”, 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.

Toca, escucha, aprende

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 su espín medio entero, una propiedad que evita que un fermión asuma el mismo espín que otro fermión cercano. Esta naturaleza exclusiva es la que posibilita 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 muy baja viscosidad. Para crear un fluido tan perfecto, los investigadores primero utilizaron un sistema de láseres para atrapar 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 fermión. Los láseres se ajustaron de tal manera que cada vez que los fermiones golpeaban los bordes de la caja, rebotaban en el gas. Además, las interacciones entre fermiones se controlaron para que fueran tan fuertes como lo permitía la mecánica cuántica, de modo que dentro de la caja, los fermiones tenían que colisionar 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 donde podíamos usar el sonido de esta manera aparentemente natural».

«Fluye de una manera perfecta»

Luego, el equipo 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 de sonido a través del fluido en frecuencias particulares. Grabaron miles de instantáneas del fluido a medida que cada onda de sonido pasaba.

«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 en una copa de vino y encontrar la frecuencia en 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 con la frecuencia 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 mediante la constante de Planck y la 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 pueden hacer ciertos materiales para exhibir un flujo superconductor perfecto.

“Este trabajo se conecta directamente a la resistencia de los materiales”, dice Zwierlein. “Habiendo descubierto cuál es la resistencia más baja que podría tener un gas, nos dice lo que puede suceder con los electrones en los materiales y cómo se pueden hacer materiales donde los electrones fluyan de manera perfecta. Eso es emocionante.»

Esta investigación fue apoyada, en parte, por la National Science Foundation y el Centro NSF para Átomos Ultrafríos, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Oficina de Investigación Naval y la Fundación David y Lucile Packard.