Investigadores mapean vórtices cuánticos dentro de nanogotas de helio superfluido

MADRID, 21 Ago. (EUROPA PRESS) -

Científicos han caracterizado, por primera vez, los llamados vórtices cuánticos que giran dentro de pequeñas gotas de helio líquido. La investigación, dirigida por expertos del Departamento del Laboratorio Nacional de Energía Lawrence en Berkeley (Berkeley Lab), la Universidad del Sur de California y el 'SLAC National Accelerator Laboratory', todos ellos en Estados Unidos, confirma que las nanogotas de helio son, de hecho, los objetos más pequeños posibles en superfluidez y abre nuevas vías para estudiar la rotación cuántica.

"La observación de vórtices cuánticos es una de las demostraciones más claras y únicas de las propiedades cuánticas de estos objetos microscópicos", subraya Oliver Gessner, científico senior en la División de Ciencias Químicas en el Laboratorio de Berkeley. Gessner y colegas, Andrey Vilesov, de la Universidad del Sur de California, y Christoph Bostedt, del 'SLAC National Accelerator Laboratory' en Stanford, dirigieron las multiinstalaciones y el multiequipo que publica el trabajo esta semana en la revista 'Science'.

El hallazgo podría tener implicaciones para otros sistemas líquidos o gases que contienen vórtices, dice Vilesov, de la USC. "La búsqueda de vórtices cuánticos en gotas superfluidas se ha extendido durante décadas -recuerda--. Pero ésta es la primera vez que se han visto en gotitas superfluidas".

El helio superfluido ha captado la atención de los científicos desde su descubrimiento en la década de 1930. A diferencia de los líquidos normales, los superfluidos no tienen viscosidad, una característica que conduce a propiedades extrañas y a veces inesperadas, como subir por las paredes de los contenedores o gotear a través de barreras que contienen el líquido antes de su transición a superfluido.

La superfluidez del helio se puede lograr cuando el helio se enfría hasta cerca del cero absoluto (cero grados Kelvin o -460 unos grados Farenheit). A esta temperatura, los átomos dentro del líquido ya no vibran con energía térmica y, en su lugar, están en un estado de calma en el que todos los átomos actúan juntos al unísono, como si fueran una sola partícula.

Durante décadas, los investigadores han sabido que cuando el helio superfluido gira, en un pequeño cubo rotatorio, dicen, la rotación produce vórtices cuánticos, remolinos que están espaciados regularmente a través del líquido. Pero la cuestión seguía siendo si alguien podía ver este comportamiento en un hecho aislado, una gota a nanoescala.

Si los remolinos estuvieran allí, se confirmaría que las nanogotas de helio, que pueden variar en tamaño desde decenas de nanómetros a micras, están, de hecho, en superfluidez en todo momento y que el movimiento de toda la gota líquida es el de un único objeto cuántico en lugar de una mezcla de partículas independientes.

Pero medir el flujo del líquido en nanogotas de helio ha demostrado ser un serio desafío. "La forma en la que se crean estas gotitas es pasando helio a través de una pequeña boquilla enfriada criogénicamente por debajo de 10 grados Kelvin", describe Gessner. "Entonces, las gotitas a nanoescala se disparan a través de una cámara de vacío a casi 200 metros por segundo. Viven una vez durante unos milisegundos al atravesar la cámara experimental y luego desaparecen. ¿Cómo demuestras que estos objetos, que son todos diferentes entre sí, tienen vórtices cuánticos dentro?", plantea.

Los investigadores recurrieron a una instalación en el SLAC llamada 'Linac Coherent Light Source' (LCLS), de la Oficina de Ciencia DOE que es la primera radiografía láser de electrones libres del mundo. Este láser produce pulsos de luz muy cortos, a sólo diez billonésimas de segundo, que contienen un gran número de fotones duraderos de alta energía. Estos pulsos de rayos X intensos pueden tomar de manera efectiva imágenes de objetos ultrapequeños y ultrarápidos y fenómenos individuales.

"Con el nuevo láser de rayos X de electrones libres, ahora podemos tomar imágenes y y ver los procesos más allá de lo que podíamos imaginar hace tan sólo una década", celebra Bostedt, de SLAC. "En cuanto a las gotas, nos ofrecieron un hermoso vistazo al mundo cuántico. Realmente abre la puerta a ciencias fascinantes", agrega este experto.

En el experimento, los investigadores bombardearon una corriente de nanogotas de helio a través del haz de láser de rayos X dentro de una cámara de vacío y un detector captó el patrón que se forma cuando la luz de rayos X difractó las gotas.

Los patrones de difracción revelaron de inmediato que la forma de muchas de las gotas no era de esfera, como se había asumido previamente, sino que era achatada. Del mismo modo que la rotación de la Tierra hace que se abulte en el ecuador, demasiada rotación en las nanogotas hace que se expandan en la parte media y se aplanen en la parte superior e inferior.

Pero los propios vórtices son invisibles a la difracción de los rayos X, por lo que los investigadores utilizaron un truco de añadir átomos de xenón a las gotitas, de forma que los átomos de xenón se dejan embaucar por los vórtices y se agrupan.

"Es similar a tirar del tapón en una bañera y mirar cómo los juguetes de los niños se reúnen en el vórtice", pone como ejemplo Gessner. Los átomos de xenón difractan la luz de rayos x mucho más fuerte que el helio que los rodea, haciendo visibles las matrices regulares de los vórtices dentro de la gota.

De esta manera, los investigadores confirmaron que los vórtices en las nanogotas se comportan como los encontrados en cantidades más grandes helio superfluido en rotación. Con esta nueva información, los expertos fueron capaces de determinar la velocidad de rotación de las nanogotas y se sorprendieron al encontrar que éstas giran hasta 100.000 veces más rápido que cualquier otra muestra de helio superfluido jamás estudiada en un laboratorio.

Por otra parte, aunque que las gotas líquidas normales cambian de forma a medida que giran más rápido y más rápido, pareciéndose, por ejemplo, a un cacahuete o un glóbulo multilobulado, los investigadores no encontraron ninguna prueba de tal cambio de forma en las nanogotas de helio.