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.

Lab. BEC1

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.

87Rb MOT (centro)

Vórtices, turbulência e termodinâmica em condensados de Bose-Einstein

Nosso assunto principal de pesquisa envolvendo a condensação de Bose-Einstein, em São Carlos, é a turbulência quântica. Ideias e métodos para gerar vórtices e turbulência quântica são investigados. Questões importantes à espera de respostas, tais como: Por que o estado de turbulência suprime inversão do aspect ratio da nuvem atômica em expansão balística? Isso indica a existência de um novo regime hidrodinâmico em superfluidos atômicos? Como se dá o decaimento de um estado de turbulento? Como o tamanho e número finito de átomos das amostras condensadas ​​podem influenciar um estado turbulento?

Produzindo turbulência fraca

Outro tópico de pesquisa de grande interesse do laboratório BEC 1 é o estudo de fenômenos termodinâmicos. Além disso, temos investigado cuidadosamente o processo termodinâmico de transição de fase, na região da temperatura crítica à procura de uma compreensão mais detalhado e geral.

Finalmente, é importante ressaltar que sistemas quânticos ordenados de longo alcance podem apresentar um comportamento turbulento quando fora do equilíbrio. A interação de defeitos topológicos (vórtices quantizados) subjacente a turbulência quântica. A turbulência quântica em grandes escalas pode apresentar um comportamento granular semelhante à turbulência clássica ocorrendo em um fluido newtoniano. Sabe-se que, em escalas menores do que o espaçamento inter vórtices típico, o comportamento é dominado por reconexões, geração de ondas de Kelvin, e a formação de anéis de vortex quantificados. Além dos avanços significativos já ocorridos até o momento, certamente há espaço para progressos consideráveis. Uma outra provável área de pesquisa relevante no futuro pode estar na realização de experimentos para testar individualmente os termos das diferentes equações de movimento propostas para descrever o sistema, assim como tem sido feito para a equação de Navier-Stokes.

Decaimento de vórtice multicarregado

 


Membros:


Collaboradores:

  • Giacomo Roati (Pesquisador nível 1, INO-CNR, e associado à: LENS e Un. Florence – Florença, Itália)

  •