Os pesquisadores criaram um vórtice quântico em hélio superfluido para estudar a dinâmica dos buracos negros, revelando novos insights sobre campos quânticos e espaços-tempos curvos por meio de experimentos criogênicos inovadores. Crédito: SciTechDaily.com
Uma equipe de cientistas imitou com sucesso buraco negro condições criando um vórtice quântico em hélio superfluido, lançando luz sobre interações gravitacionais e teorias quânticas de campo em espaços-tempos curvos.
Os cientistas criaram pela primeira vez um vórtice quântico gigante para imitar um buraco negro no hélio superfluido, o que lhes permitiu ver com mais detalhes como os buracos negros analógicos se comportam e interagem com o seu entorno.
Pesquisa liderada pelo Universidade de Nottingham, em colaboração com o King’s College London e a Newcastle University, criou uma nova plataforma experimental: um tornado quântico. Eles criaram um vórtice giratório gigante dentro do hélio superfluido que é resfriado às temperaturas mais baixas possíveis. Através da observação da dinâmica das ondas minúsculas na superfície do superfluido, a equipe de pesquisa mostrou que esses tornados quânticos imitam as condições gravitacionais próximas a buracos negros em rotação. A pesquisa foi publicada hoje em Natureza.
Configuração experimental no laboratório usado na pesquisa do buraco negro. Crédito: Leonardo Solidoro
Configuração experimental inovadora
O autor principal do artigo, Dr. Patrik Svancara, da Escola de Ciências Matemáticas da Universidade de Nottingham, explica: “O uso de hélio superfluido nos permitiu estudar pequenas ondas de superfície com mais detalhes e precisão do que com nossos experimentos anteriores em água. Como a viscosidade do hélio superfluido é extremamente pequena, fomos capazes de investigar meticulosamente sua interação com o tornado superfluido e comparar as descobertas com nossas próprias projeções teóricas.”
A equipe construiu um sistema criogênico personalizado capaz de conter vários litros de hélio superfluido em temperaturas inferiores a -271°C. A esta temperatura o hélio líquido adquire propriedades quânticas incomuns. Essas propriedades normalmente impedem a formação de vórtices gigantes em outros fluidos quânticos, como gases atômicos ultrafrios ou fluidos quânticos de luz. Este sistema demonstra como a interface do superfluido hélio atua como uma força estabilizadora para esses objetos.
Svancara continua: “O hélio superfluido contém pequenos objetos chamados vórtices quânticos, que tendem a se espalhar uns dos outros. Em nossa configuração, conseguimos confinar dezenas de milhares desses quanta em um objeto compacto semelhante a um pequeno tornado, alcançando um fluxo de vórtice com força recorde no reino dos fluidos quânticos.”
Vórtice Quântico em Experimento de Hélio Superfluido. Crédito: Leonardo Solidoro
Insights sobre a física do buraco negro
Os investigadores descobriram paralelos intrigantes entre o fluxo do vórtice e a influência gravitacional dos buracos negros no espaço-tempo circundante. Esta conquista abre novos caminhos para simulações de teorias quânticas de campos de temperatura finita dentro do complexo reino dos espaços-tempos curvos.
A professora Silke Weinfurtner, que lidera o trabalho no Laboratório de Buracos Negros onde esta experiência foi desenvolvida, destaca a importância deste trabalho: “Quando observámos pela primeira vez assinaturas claras da física dos buracos negros na nossa experiência analógica inicial em 2017, foi um momento inovador. para compreender alguns dos fenômenos bizarros que muitas vezes são desafiadores, se não impossíveis, de estudar de outra forma. Agora, com a nossa experiência mais sofisticada, levámos esta investigação para o próximo nível, o que poderá eventualmente levar-nos a prever como os campos quânticos se comportam em espaços-tempos curvos em torno de buracos negros astrofísicos.”
Referência: “Rotating curvo espaço-tempo assinaturas de um vórtice quântico gigante” por Patrik Švančara, Pietro Smaniotto, Leonardo Solidoro, James F. MacDonald, Sam Patrick, Ruth Gregory, Carlo F. Barenghi e Silke Weinfurtner, 20 de março de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07176-8
Esta pesquisa inovadora é financiada por uma doação de £ 5 milhões do Science Technology Facilities Council, distribuída entre equipes de sete importantes instituições do Reino Unido, incluindo a Universidade de Nottingham, a Universidade de Newcastle e o King’s College London. O projeto também foi apoiado pela bolsa da Rede UKRI em Simuladores Quânticos para Física Fundamental e pela Leverhulme Research Leaders Fellowship, mantida pela Professora Silke Weinfurtner.
O culminar desta investigação será celebrado e explorado criativamente numa exposição ambi intitulada Titãs Cósmicos na Djanogly Gallery, Lakeside Arts, The University of Nottingham, de 25 de janeiro a 27 de abril de 2025 (e em turnê por locais no Reino Unido e no exterior). A exposição incluirá esculturas, instalações e obras de arte imersivas recentemente encomendadas por artistas importantes, incluindo Conrad Shawcross RA, que resultam de uma série de colaborações inovadoras entre artistas e cientistas facilitadas pelo ARTlab Nottingham. A exposição combinará investigações criativas e teóricas sobre os buracos negros e o nascimento do nosso Universo.
