Qualquer pessoa que drenou uma banheira ou um creme mexido no caféviu um va³rtice, uma formação onipresente que aparece quando o fluido circula. Mas, ao contra¡rio da a¡gua, os fluidos governados pelas estranhas regras da meca¢nica qua¢ntica tem uma restrição especial: como foi previsto pela primeira vez em 1945 pelo futuro ganhador do Nobel Lars Onsager, um va³rtice em um fluido qua¢ntico são pode girar em unidades de número inteiro.

Prevaª-se que essas estruturas rotativas sejam amplamente aºteis para estudar tudo, desde sistemas qua¢nticos a buracos negros. Mas, embora o menor va³rtice qua¢ntico possí­vel, com uma única unidade de rotação, tenha sido visto em muitos sistemas, va³rtices maiores não são esta¡veis. Embora os cientistas tenham tentado forçar va³rtices maiores a se manterem unidos, os resultados foram mistos: quando os va³rtices se formaram, a severidade dos manãtodos usados ​​geralmente destruiu sua utilidade.

Agora, Samuel Alperin e a professora Natalia Berloff, da Universidade de Cambridge, descobriram um mecanismo tea³rico por meio do qual va³rtices qua¢nticos gigantes não são são esta¡veis, mas se formam por si pra³prios em fluidos quase uniformes. As descobertas , publicadas na revista Optica, podem abrir caminho para experimentos que podem fornecer uma visão sobre a natureza dos buracos negros rotativos que tem semelhanças com va³rtices qua¢nticos gigantes.

Para fazer isso, os pesquisadores usaram um ha­brido qua¢ntico de luz e matéria, chamado polariton. Essaspartículas são formadas pelo brilho de luz laser em materiais com camadas especiais. “Quando a luz fica presa nas camadas, a luz e a matéria se tornam insepara¡veis, e se torna mais prático olhar para a substância resultante como algo que édistinto da luz ou da matéria, enquanto herda as propriedades de ambas”, disse Alperin, um aluno de doutorado no Departamento de Matema¡tica Aplicada e Fa­sica Tea³rica de Cambridge.

Uma das propriedades mais significativas dos polaritons vem do simples fato de que a luz não pode ser capturada para sempre. Um fluido de polaritons, que requer uma alta densidade departículas exa³ticas, estãoconstantemente expelindo luz e precisa ser alimentado com luz nova do laser para sobreviver. “O resultado”, disse Alperin, “éum fluido que nunca se acomoda e que não precisa obedecer ao que costuma ser restrições ba¡sicas da física, como a conservação de energia. Aqui, a energia pode mudar como parte da dina¢mica do fluido. ”

Foram exatamente esses fluxos constantes de luz la­quida que os pesquisadores exploraram para permitir a formação do va³rtice gigante indescrita­vel. Em vez de direcionar o laser para o pra³prio fluido polariton, a nova proposta tem a luz em forma de anel, causando um fluxo constante para dentro, semelhante ao fluxo de águapara o ralo de uma banheira. Segundo a teoria, esse fluxo ésuficiente para concentrar qualquer rotação em um aºnico va³rtice gigante.

“O fato de o va³rtice gigante realmente poder existir em condições que são passa­veis de seu estudo e uso tanãcnico foi bastante surpreendente”, disse Alperin, “mas realmente são mostra como a hidrodina¢mica dos polaritons étotalmente distinta dos fluidos qua¢nticos mais bem estudados . a‰ um territa³rio emocionante. ”

Os pesquisadores dizem que estãoapenas no ini­cio de seu trabalho em va³rtices qua¢nticos gigantes. Eles foram capazes de simular a colisão de vários va³rtices qua¢nticos enquanto dançam em torno uns dos outros com velocidade cada vez maior atéque colidem para formar um aºnico va³rtice gigante ana¡logo a  colisão de buracos negros. Eles também explicaram as instabilidades que limitam o tamanho ma¡ximo do va³rtice enquanto exploram a física complexa do comportamento do va³rtice.

“Essas estruturas tem algumas propriedades acaºsticas interessantes: elas tem ressona¢ncias acaºsticas que dependem de sua rotação, então meio que cantam informações sobre si mesmas”, disse Alperin. “Matematicamente, ébastante ana¡logo ao modo como os buracos negros em rotação irradiam informações sobre suas próprias propriedades.”

Os pesquisadores esperam que a semelhança possa levar a novos insights sobre a teoria da dina¢mica qua¢ntica dos fluidos, mas também dizem que os polaritons podem ser uma ferramenta útil para estudar o comportamento dos buracos negros.

O professor Berloff éafiliado em conjunto com Cambridge e o Instituto Skolkovo de Ciência e Tecnologia na Raºssia.