La cámara que filma el frío exprés
A una temperatura de 0,1 K — tres décimas de grado por encima del cero absoluto — la materia deja de obedecer las reglas habituales. El helio se vuelve superfluido: fluye sin fricción, se filtra por rendijas y se comporta como un único líquido cuántico gigante. Ver qué ocurre dentro de semejante frío es una tarea al límite de lo posible.
Los científicos han construido un dispositivo que aborda el problema de forma directa. Dentro de un criostato — una especie de termo para frío extremo — hay una plataforma giratoria con una cámara. La luz de los láseres viaja por fibra óptica y la imagen se transmite a través de un haz de cien mil guías de luz. La resolución es de unos 30 micrómetros, es decir, se pueden distinguir detalles del grosor de un cabello humano fino.
En uno de los experimentos se introdujeron en el helio líquido partículas luminosas de 1 a 6 micrómetros de diámetro. Se disparaban desde la superficie de un cristal piezoeléctrico mediante oscilaciones cortas a una frecuencia de un millón de veces por segundo. La cámara grababa las trayectorias de las partículas a una velocidad de hasta 990 fotogramas por segundo.
Esta filmación permite ver cómo los vórtices cuánticos — diminutas corrientes en espiral — interactúan con las partículas. Es como si en un agua perfectamente tranquila aparecieran de repente remolinos invisibles que arrastran todo a su paso. Antes estos procesos se estudiaban de forma indirecta; ahora pueden observarse en directo.
El dispositivo abre el camino al estudio de la turbulencia cuántica, una de las áreas más enigmáticas de la física. Comprender cómo la energía se transfiere de los vórtices grandes a los pequeños en un medio superfluido podría arrojar luz sobre procesos en las estrellas de neutrones e incluso en el universo primigenio.
Resumen original
tal como lo escribieron los autores, en inglés arXiv:2602.21279
We describe a versatile apparatus for optical observations of experimental processes at temperatures down to 0.1 K. The cooling is achieved by a wet cryostat with a dilution refrigerator on a vibrationally-isolated platform, capable of continuous rotation at angular velocity of up to 3 rad/s. The illumination light beam from lasers on a non-rotating optical table at room temperature is introduced via an optical fiber. The images are transferred to the intensified camera at room temperature through a coherent bundle of $$10^5$$ optical fibers giving a spatial resolution of $$\sim 30 \mu$$m, depending on the magnification used. The adjustment of the position of the illumination light, as well as of the focusing of the camera on the object under investigation, can be controlled remotely with the help of piezoelectric positioners. The apparatus was used for visualization of particles dispersed in superfluid helium at temperatures down to 0.14 K. In one version of experiment, fluorescent light from clouds of excimer molecules He$$_2^*$$, generated in liquid helium by electron impact from electrons injected by sharp field-emission tips, was recorded and analyzed. In another, fluorescent particles of diameters between 1 $$\mu$$m and 6 $$\mu$$m were initially loaded onto the horizontal surface of a piezoelectric crystal of LiNbO$$_3$$ and then injected into liquid helium by short bursts of high-amplitude oscillations at the crystal's resonant frequency 1 MHz. The particle trajectories were filmed at a frame rate of up to 990 fps and analyzed.
A una temperatura de 0,1 K, el movimiento térmico de los átomos casi se detiene por completo, y el helio se vuelve tan fluido que puede atravesar poros en el vidrio que no dejan pasar el agua ordinaria.
En la novela de Greg Egan «Cuaresma», los fluidos superfluidos se utilizan para crear computadoras cuánticas, y la observación de vórtices en helio recuerda los intentos de los personajes por ver las estructuras ocultas de la realidad.