Un superfluido de helio ilustra el inicio del Universo

Estructuras cuánticas recreadas en laboratorio mediante un superfluido ofrecen finalmente una manera de estudiar de cerca posibles escenarios de cómo el Universo se enfrió tras el Big Bang.

Por primera vez, investigadores de la Universidad de Aalto han documentado la ocurrencia predicha hace 40 años de “paredes unidas por cuerdas” en el superfluido helio-3.

Los hallazgos, publicados en Nature Communications, se produjeron después de dos transiciones de fase de ruptura de simetría sucesivas en el Laboratorio de Baja Temperatura de esta universidad sueca.

El helio permanece líquido a la presión atmosférica, incluso cuando se enfría a cero absoluto, en el que todos los demás materiales se congelan. El helio no solo permanece fluido a temperaturas criogénicas, sino que se convierte en un superfluido a una temperatura suficientemente baja. Un material superfluido tiene una viscosidad esencialmente cero, lo que significa que debe fluir para siempre sin perder energía.

Cuando están confinados a un volumen nanoestructurado, los investigadores pueden usar fases superfluidas del isótopo helio-3 para estudiar efectos como vórtices semicuánticos: remolinos en el superfluido donde la cantidad de flujo de helio está estrictamente controlada por las reglas de la física cuántica.

“Inicialmente pensamos que los vórtices semicuánticos desaparecerían cuando bajáramos la temperatura. Resulta que realmente sobreviven cuando la muestra de helio-3 se enfría por debajo de medio milikelvin; en lugar de eso, aparece una pared no topológica”, dice en un comunicado Jere Mäkinen, autora principal del estudio y estudiante de doctorado en la Universidad Aalto.

Si bien no son paredes físicas, que podrían bloquear el flujo, las paredes no topológicas alteran las propiedades magnéticas del helio. Los investigadores pudieron detectar los cambios mediante la resonancia magnética nuclear.

En los primeros microsegundos después del Big Bang, algunos cosmólogos creen que todo el universo experimentó transiciones de fase de ruptura de simetría, como un superfluido dentro de un volumen nanoestructurado a medida que se enfría. La teoría dice que las fluctuaciones cuánticas o los defectos topológicos, como las paredes de dominio y los vórtices cuánticos, en el universo ultracondensado se congelaron en su lugar a medida que el universo se expandía. Con el tiempo, estas fluctuaciones congeladas se convirtieron en las galaxias que vemos y vivimos hoy. Ser capaz de crear estos objetos en el laboratorio puede permitirnos comprender más sobre el universo y por qué se formó de la forma en que lo hizo.

Como beneficio adicional, la estructura de estos defectos de tipo huracán que Mäkinen creó en el laboratorio también proporciona un modelo potencial para el estudio de la computación cuántica topológica.

“Si bien el helio-3 líquido sería demasiado difícil y costoso de mantener como un material para una computadora en funcionamiento, nos brinda un modelo de trabajo para estudiar los fenómenos que podrían usarse en materiales futuros más accesibles”, dice.

El profesor emérito Grigori Volovik, coautor del nuevo estudio, predijo por primera vez los vórtices semicuánnticos con V. P. Mineev en la década de 1970. Se observaron por primera vez en el superfluido de helio, en el Laboratorio de baja Temperatura de Aalto, en 2016.

Fuente: europapress.es

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