O praªmio Nobel de física Richard Feynman certa vez descreveu a turbulaªncia como "o problema não resolvido mais importante da física cla¡ssica".

Compreender a turbulaªncia em fluidos cla¡ssicos como águae ar édifa­cil, em parte devido ao desafio de identificar os va³rtices girando dentro desses fluidos. Localizar tubos de va³rtice e rastrear seu movimento pode simplificar muito a modelagem de turbulaªncia.

Mas esse desafio émais fa¡cil em fluidos qua¢nticos, que existem em temperaturas baixas o suficiente para que a meca¢nica qua¢ntica - que lida com a física na escala de a¡tomos oupartículas subatômicas - governe seu comportamento.

Em um novo estudo publicado em Proceedings of the National Academy of Sciences , pesquisadores da Florida State University conseguiram visualizar os tubos de va³rtice em um fluido qua¢ntico, descobertas que poderiam ajudar os pesquisadores a entender melhor a turbulaªncia em fluidos qua¢nticos e além .

"Nosso estudo éimportante não apenas porque amplia nossa compreensão da turbulaªncia em geral, mas também porque pode beneficiar os estudos de vários sistemas fa­sicos que também envolvem tubos de va³rtice, como supercondutores e atéestrelas de naªutrons", disse Wei Guo, um associado professor de engenharia meca¢nica da Faculdade de Engenharia FAMU-FSU e pesquisador principal do estudo.

A equipe de pesquisa estudou o superfluido hanãlio-4, um fluido qua¢ntico que existe em temperaturas extremamente baixas e pode fluir para sempre em um espaço estreito sem atrito aparente.

A equipe de Guo examinoupartículas trazdoras presas nos va³rtices e observou pela primeira vez que, conforme os tubos de va³rtice apareciam, eles se moviam em um padrãoaleata³rio e, em média, se afastavam rapidamente de seu ponto inicial. O deslocamento desses rastreadores presos parecia aumentar com o tempo muito mais rápido do que na difusão molecular regular - um processo conhecido como superdifusão.

A análise do que aconteceu os levou a descobrir como as velocidades dos va³rtices mudaram ao longo do tempo, o que éuma informação importante para a modelagem estata­stica da turbulaªncia do fluido qua¢ntico.

"A superdifusão foi observada em muitos sistemas, como o transporte celular em sistemas biola³gicos e os padraµes de busca de caçadores-coletores humanos", disse Guo. "Uma explicação estabelecida de superdifusão para coisas que se movem aleatoriamente éque eles ocasionalmente tem deslocamentos excepcionalmente longos, que são conhecidos como voos de Lanãvy."

Mas depois de analisar seus dados, a equipe de Guo concluiu que a superdifusão dos rastreadores em seu experimento não foi realmente causada pelos voos de Lanãvy. Outra coisa estava acontecendo.

"Finalmente descobrimos que a superdifusão que observamos foi causada pela relação entre as velocidades do va³rtice em momentos diferentes", disse Yuan Tang, pesquisador de pa³s-doutorado no Laborata³rio Nacional de Alto Campo Magnanãtico e autor de um artigo. "O movimento de cada segmento de va³rtice inicialmente parecia ser aleata³rio, mas na verdade, a velocidade de um segmento em um momento foi positivamente correlacionada com sua velocidade na próxima insta¢ncia de tempo. Essa observação nos permitiu descobrir algumas propriedades estata­sticas genanãricas ocultas de um emaranhado de va³rtice aleata³rio caa³tico, que poderia ser útil em vários ramos da física. "

Ao contra¡rio dos fluidos cla¡ssicos, os tubos de va³rtice no superfluido hanãlio-4 são objetos esta¡veis ​​e bem definidos.

"Eles são essencialmente pequenos tornados girando em uma tempestade caa³tica, mas com núcleos ocos extremamente finos", disse Tang. "Vocaª não pode vaª-los a olho nu, nem mesmo com o microsca³pio mais potente."

"Para resolver isso, conduzimos nossos experimentos no laboratório de criogenia, onde adicionamospartículas trazdoras em hanãlio para visualiza¡-los", acrescentou Shiran Bao, pesquisador de pa³s-doutorado no Laborata³rio Nacional de Alto Campo Magnanãtico e autor de um artigo.

Os pesquisadores injetaram uma mistura de gás deutanãrio e gás hanãlio no hanãlio superfluido frio. Apa³s a injeção, o gás deutanãrio se solidificou e formou minaºsculaspartículas de gelo, que os pesquisadores usaram como trazdores no fluido .

"Assim como tornados no ar podem sugar as folhas próximas, nossos rastreadores também podem ficar presos nos tubos de va³rtice de hanãlio quando estãopra³ximos aos tubos", disse Guo.

Essa técnica de visualização não énova e tem sido usada por cientistas em laboratórios de pesquisa em todo o mundo, mas a descoberta desses pesquisadores foi desenvolver um novo algoritmo que lhes permitiu distinguir os rastreadores presos em va³rtices daqueles que não estavam presos.