vórtice superfluido

En 1934 Jean Leray demostró que las ecuaciones de Navier–Stokes siempre tienen soluciones «en sentido generalizado». Si la solución sigue suave o puede romperse en una singularidad, no lo supo, y nadie lo supo en noventa años. En 2000 el Instituto Clay incluyó la pregunta entre sus siete problemas del Milenio.

El agua de un tanque gira a casi cuatro vueltas por segundo y, como por arte de magia, surge en ella una columna del tamaño de una mesa de comedor. El vórtice vive durante decenas de vueltas, aunque todo a su alrededor burbujea y tiembla. ¿De dónde sale tanta estabilidad? El secreto es que el vórtice no está aislado.

En las profundidades de una estrella de neutrones, donde la materia está comprimida hasta la densidad del núcleo atómico, los neutrones forman un líquido superfluido y los protones un superconductor. Un vórtice de neutrones es un vórtice cuantizado en el líquido superfluido, similar a un mini remolino que no puede detenerse.

Un vórtice superconductor se asemeja a un remolino en un fluido cuántico. Cuando un campo magnético atraviesa un superconductor, se concentra en finos hilos — los vórtices — alrededor de los cuales circulan corrientes sin disipación.

Una piedra cae en aguas tranquilas y, sobre la superficie, se extienden anillos perfectos. Si la piedra no solo cae, sino que además gira, aparecen pequeños remolinos: vórtices. La luz sabe hacer lo mismo, solo que en lugar de agua, el medio es el propio espacio-tiempo.

Después del Big Bang, según la cosmología inflacionaria, el Universo experimentó una rápida expansión y una serie de transiciones de fase.

El interior de las estrellas de neutrones es el reino de la materia degenerada. Aquí los protones se condensan en un condensado superconductor, atravesado por vórtices cuánticos. Imagina diminutos trompos magnéticos: cada uno lleva un cuanto de flujo magnético y se desliza a través del líquido de electrones.

En el centro de muchas galaxias se esconde una nube invisible: el halo de materia oscura. Si esta materia es lo bastante fría y ligera, se comporta como un líquido superfluido: fluye sin fricción y cualquier rotación se enrolla en diminutos vórtices cuánticos, hilos del tamaño de un núcleo atómico.

En el mundo cuántico hay una danza propia. Dos toroides superconductores, que sostienen cómodamente cada uno su flujo magnético cuantizado, giran en un vals sincronizado. Entre ellos, el vacío, ni una sola línea de fuerza, pero replican los movimientos del otro sin error.

Un líquido superfluido fluye sin fricción, como agua que nunca se detiene. Pero si se le hace girar, no solo rota: cada diminuto vórtice recuerda exactamente cómo se le hizo girar. Esa "huella" no es una metáfora, sino una impresión geométrica real que los físicos llaman fase de Berry (el desfase acumulado por una onda al recorrer un camino cerrado).

En aceleradores como el Gran Colisionador de Hadrones se hacen chocar núcleos pesados a velocidades enormes. Por un instante nace el plasma de quarks y gluones (PQG), un estado de la materia en el que los quarks y los gluones flotan libremente, como en los primeros microsegundos tras el nacimiento del universo.

En la imagen heisenbergiana habitual, a bajas temperaturas los espines deben ordenarse en un patrón estricto. Pero hay cristales — por ejemplo, el pirocloro — donde la geometría impone su ley.

Los mundos bidimensionales no dejan de asombrar: aquí incluso la fusión de un cristal no es una ruptura de simetría, sino un espectáculo de vórtices, descubierto por Kosterlitz y Thouless. En el corazón de este teatro están las singularidades topológicas, cuya energía y entropía negocian el orden.

Supersólido cuerpo — materia que es a la vez cristalina y fluida. Se crea a partir de átomos enfriados casi hasta el cero absoluto. En un nuevo trabajo, los físicos obtuvieron esta sustancia en forma de una red triangular de gotas. Cada gota oscila a su propio ritmo.

Una piedra cae en un estanque y se forman círculos en el agua. Las ondas largas y las cortas se mueven a la misma velocidad: así se comporta el sonido ordinario en casi cualquier medio. Pero en los líquidos cuánticos todo puede ser diferente. Los físicos consideraron un superfluido donde las partículas se mueven a lo largo de una banda de energía "plana".

Una peonza del tamaño de una ciudad, que pesa más que el Sol y da cientos de vueltas por segundo. Eso es una estrella de neutrones: el resto de una estrella que explotó. A veces, su rotación se acelera de repente, como si algo en su interior cambiara de estado. Los astrónomos llaman a estos saltos glitches y sospechan que los culpables son vórtices invisibles en el relleno superfluido de la estrella.

Una palmada comprime el aire y este se dispersa: el choque más simple. En el espacio, el papel de las palmas lo desempeñan las estrellas que explotan: sus ondas de choque comprimen bruscamente el gas y desencadenan una mezcla caótica: la turbulencia.

El sonido viaja a través de un medio a una velocidad determinada. Si el medio se mueve más rápido, el sonido es arrastrado por el flujo, como una astilla atrapada en un remolino. En el helio superfluido —un líquido sin fricción— la rotación rápida genera vórtices-remolinos.

El conductor gira el volante para que el coche doble. En el mundo cuántico también hay "volantes": parámetros externos que se cambian suavemente para trasladar partículas de un lugar a otro.

Una peonza que gira y a la vez se bambolea ligeramente: así es, según los astrónomos, el comportamiento de la estrella de neutrones en el sistema binario Hércules X-1. Completa una vuelta sobre su eje en un segundo, pero su eje describe lentamente un cono con un periodo de 35 días.

El campo magnético no penetra en un superconductor como un flujo continuo, sino en forma de finos hilos: los vórtices. Normalmente se repelen y se ordenan en una red triangular regular, como flotadores en el agua. Pero en CaSb₂ todo ocurrió de otra manera: los vórtices se agruparon en montones apretados, dejando entre ellos espacios casi vacíos.

Un gas superfluido se comporta como un líquido sin fricción. Dos nubes de este gas se conectan mediante un puente estrecho, y a través de él fluye una corriente de partículas. Esto recuerda al efecto Josephson en los superconductores, pero en lugar de electrones, son átomos neutros.

El agua que se va por el desagüe forma un remolino. Algo habitual en cualquier cocina. Pero ese mismo remolino ha demostrado ser capaz de reproducir dos efectos que los físicos suelen asociar con los agujeros negros y la rotación de los planetas. El primer efecto es el desfase de una onda al rodear un obstáculo.

El agua hierve detrás de una piedra en el río, el aire se arremolina detrás del ala de un avión: parece que el movimiento es completamente caótico. Pero los autores del estudio encontraron en ese caos una receta de cocina estricta. Descompusieron la rotación del fluido (el momento angular) en dos partes independientes.

Una estrella de neutrones es un trompo con la masa del Sol, comprimido al tamaño de una ciudad. Nace en el fuego de una supernova y normalmente solo frena su rotación. Pero a veces, sin razón aparente, de repente acelera: ese tirón se llama glitch.

En una olla con agua hirviendo, las burbujas de vapor suben y estallan. En el mundo cuántico de un líquido superfluido, las burbujas se comportan de otra manera: pueden colisionar y engendrar vórtices, diminutas corrientes arremolinadas parecidas a remolinos en un río. Los científicos modelaron ese líquido con un enfoque holográfico.

En el helio superfluido, un vórtice se parece a un tornado en una botella, pero en lugar de agua hay un líquido cuántico que fluye sin fricción. Ese vórtice no se disipa por sí solo, así que la pregunta de dónde va a parar su energía permaneció abierta durante mucho tiempo.

En el frío corazón de un cristal puro, los electrones fluyen como un líquido viscoso, una idea predicha por Lev Landau. Pero los vórtices de este líquido permanecían invisibles, como una imagen deducida del ruido de los espectadores. Ahora los científicos han creado una nanocuerda: un diapasón semiconductor con una cavidad circular.

Un corazoncito de plástico flota en el agua y no se voltea, por más que lo gires. Se queda inmóvil en cualquier posición, como si el agua lo sostuviera con hilos invisibles. Este truco es posible gracias a la curva de Zindler, una figura en la que todas las líneas que dividen el área por la mitad tienen la misma longitud.

Una avalancha de polvo no es simplemente un montón de nieve que se desliza montaña abajo. Es una nube que se precipita por la ladera a la velocidad de un automóvil. En su interior, la nieve no reposa, sino que vuela: miles de partículas diminutas son arrastradas por los remolinos de aire.

Un rayo láser retorcido en espiral se parece a un embudo en un lavabo: la luz no solo avanza, sino que también gira. Estos rayos vorticiales ya ayudan a mover partículas diminutas y a transmitir más datos. Pero en cuanto atraviesan un medio no homogéneo, el vórtice se deshace, como el agua de un cubo agujereado.

Los cilios son diminutos pelos en la superficie de las células. Baten como remos y mueven el líquido. En los pulmones, expulsan el polvo y los microbios hacia afuera. Pero su longitud varía: en los humanos miden milésimas de milímetro, mientras que en los ctenóforos alcanzan varios milímetros.

El helio líquido a temperaturas ultrabajas fluye sin fricción, como un lubricante ideal. En él nacen remolinos parecidos a los del agua común, pero su fuerza de rotación cambia solo por pasos fijos, como los de un tocadiscos: solo 33, 45 o 78 revoluciones.

La memoria de una computadora convencional gasta energía constantemente para almacenar unos y ceros. Pero los superconductores conducen la corriente sin pérdidas: si se pudiera construir una memoria con ellos, consumiría casi nada de electricidad. El problema es que los superconductores no saben recordar: su estado cambia con demasiada facilidad.

Una ráfaga de viento repentina golpea el ala y, sobre ella, se enrolla un enorme vórtice. Este vórtice puede cambiar bruscamente la sustentación, y el avión puede picar. Los ingenieros llevan tiempo buscando la manera de predecir estos vórtices, pero la complejidad lo dificulta: el flujo de aire rápido está lleno de pequeñas turbulencias caóticas.

Un fluido superfluido fluye sin fricción, como agua en una tubería perfectamente lisa, pero en cuanto encuentra un obstáculo, el panorama cambia. En un nuevo estudio se examinó cómo un flujo superfluido rodea paredes rectangulares y pozos con esquinas afiladas.

En el macrocosmos que conocemos, cualquier movimiento acaba inevitablemente por desvanecerse: interviene la fricción, un proceso disipativo que dispersa la energía. Pero la realidad cuántica nos depara sorpresas.

En una cubeta del tamaño de una moneda, la luz se comporta como el agua: se condensa en un único fluido cuántico. Cuando se le añade energía, en ese fluido se forman espontáneamente remolinos: los vórtices cuánticos. Cada vórtice es como un pequeño torbellino que no puede desaparecer sin más. Los físicos iluminaron este fluido con un láser y tomaron instantáneas.

Un superconductor es un material donde la corriente eléctrica fluye sin pérdidas, como el agua por una tubería perfectamente lisa. Pero si aparecen vórtices, la corriente empieza a 'tropezar' con esos pequeños remolinos. En el grafeno retorcido en un ángulo especial, se pueden crear y estudiar estos vórtices uno a uno.

La ecuación de difusión es una foto borrosa de una multitud de partículas: en ella, una perturbación se extiende instantáneamente por todo el Universo, desafiando la teoría de la relatividad. El misterio se agravaba por su conexión con el aumento de la entropía (medida del desorden).