Los investigadores han creado un vórtice cuántico en helio superfluido para estudiar la dinámica de los agujeros negros, revelando nuevos conocimientos sobre los campos cuánticos y el espacio-tiempo curvo a través de innovadores experimentos criogénicos. Crédito: SciTechDaily.com

Un equipo de científicos logró imitarlo Agujero negro condiciones mediante la creación de un vórtice cuántico en helio superfluido, arrojando luz sobre las interacciones gravitacionales y las teorías cuánticas de campos en el espacio-tiempo curvo.

Los científicos han creado por primera vez un vórtice cuántico gigante para imitar un agujero negro en helio superfluido, lo que les permite ver con más detalle cómo se comportan e interactúan los agujeros negros analógicos con su entorno.

Investigación dirigida Universidad de NottinghamEn colaboración con el King's College de Londres y la Universidad de Newcastle, he creado una nueva plataforma experimental: el tornado cuántico. Crearon un vórtice gigante dentro de helio superfluido que había sido enfriado a las temperaturas más bajas posibles. Al observar la sutil dinámica de las ondas en la superficie de un superfluido, el equipo de investigación demostró que estos tornados cuánticos imitan las condiciones gravitacionales cercanas a los agujeros negros en rotación. La investigación fue publicada hoy en naturaleza.

Configuración experimental de laboratorio utilizada en la investigación de agujeros negros. Crédito: Leonardo Solidoro

Configuración experimental pionera

El autor principal de este artículo, el Dr. Patrick Svankara de la Facultad de Ciencias Matemáticas de la Universidad de Nottingham, explica: «El uso de helio superfluido nos ha permitido estudiar pequeñas ondas superficiales con más detalle y Exactitud En comparación con nuestros experimentos anteriores en agua. Dado que la viscosidad del helio superfluido es muy pequeña, pudimos investigar cuidadosamente su interacción con el ciclón superfluido y comparar los resultados con nuestras propias predicciones teóricas.

El equipo construyó un sistema de refrigeración personalizado capaz de contener varios litros de helio superfluido a temperaturas inferiores a -271 grados Celsius. A esta temperatura, el helio líquido adquiere propiedades cuánticas inusuales. Estas propiedades suelen dificultar la formación de remolinos gigantes en otros fluidos cuánticos, como gases atómicos ultrafríos o fluidos cuánticos fotónicos, y este sistema demuestra cómo la interfaz de helio superfluido actúa como una fuerza estabilizadora para estos objetos.

«El helio ultrafluido contiene pequeños objetos llamados vórtices cuánticos, que tienden a separarse unos de otros», continúa el Dr. Svankara. En nuestra configuración, pudimos confinar decenas de miles de estos cuantos en un objeto compacto parecido a un minitornado, logrando un flujo de vórtice de fuerza récord en el mundo de los fluidos cuánticos.

Experimento de vórtice cuántico en helio superfluido. Crédito: Leonardo Solidoro

Información sobre la física de los agujeros negros

Los investigadores han descubierto interesantes paralelismos entre el flujo de vórtices y el efecto de la gravedad de los agujeros negros en el espacio-tiempo circundante. Este logro abre nuevos horizontes para la simulación de teorías cuánticas de campos de temperatura finita dentro del complejo campo del espacio-tiempo curvo.

La profesora Silke Weinfurtner, que dirige el trabajo en el Laboratorio de Agujeros Negros donde se desarrolló este experimento, destaca la importancia de este trabajo: “Cuando observamos por primera vez firmas claras de la física de los agujeros negros en nuestro experimento analógico inicial en 2017, fue un momento decisivo. .” Para comprender algunos fenómenos extraños que a menudo son difíciles, si no imposibles, de estudiar de otra manera. Ahora, con nuestro experimento más avanzado, hemos llevado esta investigación al siguiente nivel, lo que eventualmente puede llevarnos a predecir cómo se comportan los campos cuánticos en el espacio-tiempo curvo alrededor de agujeros negros astrofísicos.

Referencia: “Spinning curvo espacio-tiempo firmas de un vórtice cuántico gigante” por Patrick Savantara, Pietro Samaniotto, Leonardo Solidoro, James F. MacDonald, Sam Patrick, Ruth Gregory, Carlo F. Barenghi y Silke Weinfurtner, 20 de marzo de 2024, naturaleza.
doi: 10.1038/s41586-024-07176-8

Esta investigación pionera está financiada por una subvención de £ 5 millones de la Junta de Instalaciones Científicas y Tecnológicas, distribuida en equipos de siete instituciones líderes del Reino Unido, incluidas la Universidad de Nottingham, la Universidad de Newcastle y el King's College de Londres. El proyecto también contó con el apoyo de una subvención de Simulaciones Cuánticas para Física Fundamental de la Red UKRI y una beca de Líderes de Investigación Leverhulme otorgada por la profesora Silke Weinfurtner.

La culminación de esta investigación se celebrará y explorará creativamente en una exposición amplia titulada Titanes cósmicos En Djanogly Gallery, Lakeside Arts, Universidad de Nottingham, del 25 de enero al 27 de abril de 2025 (y de gira por lugares del Reino Unido y el extranjero). La exposición incluirá esculturas, instalaciones y obras de arte inmersivas de artistas destacados, incluido Conrad Shawcross RA, que han resultado de una serie de colaboraciones innovadoras entre artistas y científicos facilitadas por ARTlab Nottingham. La exposición combinará investigaciones creativas y teóricas sobre los agujeros negros y el nacimiento de nuestro universo.