Condensados de Bose-Einstein

No topo da lista entre os temas mais importantes da física moderna, os fluidos quânticos estimulam avanços em muitos ramos da ciência. É geralmente aceito que, devido à importância do tema, é essencial na formação de novos talentos científicos. Um dos tópicos principais em investigação nos nossos laboratórios trata de Turbulência Quântica e a Investigação de Vórtices em Superfluidos Atômicos.

O estudo de vórtices em condensados nunca sofreu de falta de interesse. Com o passar dos anos, estudos de novos aspectos, tanto da formação quanto da dinâmica de vórtices, foram realizados. Recentemente, vórtices foram observados em nossos laboratórios, por meio de uma nova técnica que consiste em introduzir uma oscilação fora de eixo no condensado.

 

Turbulência Quântica

Processos turbulentos aparecem por toda parte na Terra e no cosmos. Fluidos turbulentos são cruciais para sustentar a vida na Terra. Por exemplo, ao espalhar as sementes sobre a terra, nutrientes, calor, e homogeneizando os gases atmosféricos. Outro bom exemplo é o campo magnético da Terra, que é usado para a navegação e também funciona como uma barreira contra as nocivas partículas carregadas provenientes do sol. Ele é criado pelo ferro fundido girando em fluxo turbulento no núcleo da Terra. A nossa experiência diária com a turbulência pode ser encontrado em vôos de avião, padrões de movimentos de nuvens, ou no simples fluxo de um rio. Além disso, a turbulência desempenha um papel crítico na concepção e funcionamento da maioria dos processos industriais, não se restringindo unicamente ao movimento de fluidos. Por exemplo, o coração humano sofre turbulência filamentar imediatamente antes de entrar em fibrilação; ondas eletromagnéticas ocorrendo no interior de plasmas produzidos em laboratório também podem ser turbulentas; e processos similares podem ocorrer em sistemas ópticos (turbulência de uma cavidade laser em anel), sistemas opto-eletrônicos, tais como um sistema de realimentação Mach-Zehnder, e também redes neuronais.

Nuvem turbulenta

A integração entre grandes e pequenas escalas que ocorre em fluxos turbulentos torna seu estudo complexo, especialmente devido à necessidade de acomodar ordens de magnitude de extensão espacial. Sob o ponto de visra dos pesquiadores teóricos, as equações não-lineares que regem o movimento são difíceis de resolver devido à grande extensão de escalas envolvidos na turbulência. Os termos das equações não podem ser negligenciados, porque a contribuição de cada um pode variar ao longo das escalas de interesse do problema. Isto requer então simulações numéricas de sistemas experimentais e de ocorrência natural ter extremamente grandes domínios que também são capazes de resolver as pequenas escalas dominadas por dissipação, em fluidos clássicos. Por outro lado, os fluidos quânticos, tais como superfluidos, ou supercondutores, além dos condensados ​​de Bose-Einstein, podem apresentar estados turbulentos que são diferentes de sua contrapartida clássica em relação ao ordenamento quântica de longo alcance. Esse ordenamento impõe restrições quânticas à sua dinâmica, tal como medido por um parâmetro de ordem não-nulo. Especificamente, toda a vorticidade (campo magnético) no caso de superfluídos e condensados ​​de Bose-Einstein (e supercondutores) é limitada a defeitos topológicos ocorrendo no parâmetro de ordem do sistema. Estas estruturas em forma de linha, denominadas vórtices quantizados devido a continuidade no parâmetro de ordem quantiza a circulação do fluxo em torno de cada defeito topológico. A turbulência em fluidos quânticos exibe um emaranhado de vórtices quantizados interagentes, de maneira como fôra originalmente imaginada por Feynman, o que é bem distinto das distribuições contínuas de vorticidade presentes na turbulência clássica dos fluidos.

Visão CAD 3D

Vórtices, turbulência e termodinâmica em condensados de Bose-Einstein

Nossa primeiro experimento de condensação de Bose-Einstein, em São Carlos, é dedicado especialemente ao estudo da turbulência quântica. Ideias e métodos alternativos para gerar vórtices e turbulência serão investigados. Há muitas questões em aberto estão à espera de respostas, tais como : Por que o estado de turbulência suprime inversão do aspect ratio da nuvem condensada durante a expansão balística? Isso pode ser uma marca da existência de um novo regime hidrodinâmico ocorrendo nos superfluidos atômicos? Como se dá o decaimento de um estado de turbulento, levando a fração condensada de volta à uma nuvem térmica? Como o tamanho e massa finitos das amostras condensados ​​podem influenciar na ocorrência de um estado turbulento?

Laboratório BEC1

Outro tópico de interesse de pesquisa do laboratório BEC 1 é o estudo de fenômenos termodinâmicos baseado em variáveis globais, com ênfase no papel da dimensionalidade armadilha. Além disso, desejamos investigar mais cuidadosamente a processo termodinâmico de transição de fase à procura de uma compreensão mais geral e original.  e conjunto de parâmetros puramente macroscópica sem a necessidade da aproximação da densidade local.

Sistemas com ordenamento quântico de longo alcance podem apresentar um comportamento turbulento quando fora do equilíbrio. A interação de defeitos topológicos (vórtices quantizados) subjacente a turbulência quântica. Como seria de esperar de princípio de correspondência, a turbulência quântica em grandes escalas podem apresentar um comportamento de grão curso semelhante à turbulência clássica em um fluido newtoniano. Em escalas menores do que o espaçamento intervortex típico, o comportamento é dominado por reconexões entre vórtices, a geração de ondas de Kelvin, e a formação de anéis de vortex quantificados. Além dos avanços significativos que tocaram aqui, ainda há espaço para progressos consideráveis. Realização de testes experimentais de termos individuais em diferentes equações propostas do movimento, como tem sido feito para a equação de Navier-Stokes, é uma área de importância considerável promessa e futuro. Investigação em curso continuará a trabalhar para compreender o nexo de causalidade entre vórtices, ondas de Kelvin e fônons. Finalmente, a compreensão das dinâmicas locais e da interação entre defeitos topológicos em sistemas além 4He, como vórtices magnéticos, defeitos em 3He, ou em outros campos de Higgs, também podem ser interessantes no futuro.

Vórtice multicarregado

 


Membros:


Collaboradores: