Em um novo estudo publicado na Nature Physics , pesquisadores desenvolveram o primeiro método controlado para excitar e observar ondas Kelvin em hélio-4 superfluido.

Descritas pela primeira vez por Lord Kelvin em 1880, as ondas Kelvin são ondas helicoidais (em forma de espiral) que viajam ao longo das linhas de vórtice, desempenhando um papel vital em como a energia se dissipa em sistemas quânticos. No entanto, elas são difíceis de estudar experimentalmente.

Criar um ambiente controlado para observá-los foi o maior desafio que os pesquisadores superaram. Phys.org falou com o primeiro autor do estudo, o Prof. Associado Yosuke Minowa da Universidade de Kyoto.

A descoberta aconteceu por acaso. "Aplicamos um campo elétrico a uma nanopartícula decorando um vórtice quantizado, esperando traduzir toda a estrutura. Em vez disso, observamos um movimento ondulado claro do núcleo do vórtice, ou seja, excitação de ondas Kelvin. Esse resultado inesperado nos levou a mudar nosso foco para estudar a excitação de ondas Kelvin em profundidade", disse o Prof. Minowa.

O cerne do experimento está nas propriedades dos superfluidos.

Superfluidos são um estado da matéria em que certos fluidos começam a exibir efeitos quânticos em escala macroscópica em temperaturas extremamente baixas. Neste caso, nenhuma viscosidade.

Isso significa que superfluidos podem fluir sem qualquer atrito ou perda de energia. O exemplo mais comum de um superfluido é o hélio-4, que demonstra esse comportamento quando resfriado abaixo de 2,17 Kelvin (-270,98 graus Celsius ou -455,764 graus Fahrenheit).

O hélio é o único material que não congela nessas baixas temperaturas, permitindo que a superfluidez seja observada. Nesse estado, o fluido pode fluir para cima contra a gravidade e escapar de recipientes escalando paredes.

A superfluidez é explicada pela condensação de Bose-Einstein, onde uma grande fração dos átomos entra no mesmo estado quântico e começa a se comportar como uma única entidade quântica. Como os superfluidos não têm viscosidade, qualquer energia fornecida ao sistema não pode se dissipar como calor, como em fluidos tradicionais. A solução são as ondas Kelvin.

Para a formação de ondas Kelvin, os pesquisadores começam com uma linha de vórtice, uma linha fina em torno da qual o hélio superfluido gira, semelhante a um tornado. Então, uma perturbação é criada ou introduzida no sistema. Como o sistema é quântico por natureza, a rotação da linha de vórtice é quantizada (ela só pode girar em forças específicas).

Em vez de se mover em linha reta, a perturbação cria um movimento helicoidal com a linha de vórtice balançando e torcendo. O superfluido ainda gira, mas em torno dessa linha de vórtice agora em espiral. Esta é a maneira de menor energia para a linha de vórtice responder à perturbação, semelhante a uma corda de violão fazendo ondas quando dedilhada.

"Em estudos anteriores, oscilações semelhantes a ondas Kelvin foram observadas apenas acidentalmente. Desenvolvemos um novo método para manipular um vórtice ideal em hélio superfluido, fornecendo uma nova maneira de estudar o comportamento desses vórtices quantizados", disse o Prof. Minowa.

A abordagem dos pesquisadores envolveu a criação de nanopartículas de silício em hélio-4 superfluido a 1,4 Kelvin. Para isso, eles colocaram uma pastilha de silício no hélio, com o laser atingindo-a diretamente.

Isso não apenas criou as nanopartículas de silício, mas também criou fluxos locais e drásticos no fluido, que amplificaram os vórtices remanescentes no superfluido, fazendo com que algumas das nanopartículas ficassem presas no núcleo desses vórtices.

Agora que os filamentos do vórtice podiam ser vistos, os pesquisadores aplicaram um campo elétrico variável no tempo ao sistema. Isso criou oscilações forçadas das nanopartículas, propagando-se como uma onda helicoidal ao longo do vórtice.

Os pesquisadores testaram diferentes frequências de excitação (0,8 a 3,0 Hertz) para analisar o comportamento das ondas. Uma configuração de câmera dupla foi usada para reconstruir o movimento das ondas em três dimensões usando técnicas de ajuste de curva spline.

"Ao utilizar nanopartículas para decorar vórtices quantizados, nosso estudo introduz uma ferramenta versátil para manipular e observar o comportamento de fluidos quânticos. Essa abordagem pode inspirar técnicas semelhantes em outros sistemas de fluidos quânticos, expandindo a caixa de ferramentas para estudos experimentais", observou o Prof. Minowa.

Os pesquisadores demonstraram com sucesso a excitação controlada de ondas Kelvin em hélio-4 superfluido. Sua reconstrução 3D das ondas ajudou a confirmar a natureza helicoidal das ondas.

Segundo o Prof. Minowa, um dos maiores desafios foi provar que o fenômeno observado era de fato uma onda Kelvin.

O Prof. Minowa disse: "Para abordar isso, coletamos informações importantes, como a relação de dispersão, velocidade de fase e dinâmica tridimensional. A reconstrução da imagem tridimensional desempenhou um papel crítico na confirmação da natureza helicoidal das ondas Kelvin. Ao visualizar a dinâmica tridimensional do vórtice, obtivemos evidências diretas e concretas de que as oscilações observadas eram de fato ondas Kelvin."

As imagens também ajudaram a confirmar a lateralidade (ou direção de rotação) das ondas Kelvin, algo que nunca havia sido feito experimentalmente antes. As ondas excitadas tinham uma estrutura helicoidal canhota.

Para validar suas observações experimentais, os pesquisadores desenvolveram um modelo de filamento de vórtice para simular a excitação de ondas Kelvin.

As simulações confirmaram que forçar uma nanopartícula carregada levou à geração de ondas helicoidais em ambas as direções, correspondendo aos resultados experimentais.

Os pesquisadores forneceram um método novo e controlado para excitar e estudar ondas Kelvin, que desempenham um papel fundamental nos processos de transferência e dissipação de energia em superfluidos e outros sistemas quânticos semelhantes.

O Prof. Minowa concluiu: "Nós introduzimos uma nova ferramenta para estudar ondas Kelvin em hélio superfluido, abrindo caminho para inúmeras investigações experimentais. Pesquisas futuras podem explorar os processos de não linearidade e decaimento das ondas Kelvin, bem como as propriedades mecânicas e a caracterização de vórtices quantizados."