Three-observable measurement of the critical velocity in a paraxial superfluid of light flowing past a mobile impurity

Imagina un río que fluye sin perder nunca energía por la fricción, una corriente que se desliza alrededor de las rocas sin crear una estela ni una ondulación. Este es el extraño mundo de la superfluidez, un estado de la materia donde la mecánica cuántica toma el control y permite que los fluidos se mueran con una eficiencia perfecta. Durante décadas, los científicos han estudiado este fenómeno en entornos exóticos, como el helio líquido enfriado cerca del cero absoluto o nubes de átomos enfriadas a temperaturas más frías que el espacio profundo. Más recientemente, los investigadores han descubierto que la luz misma puede comportarse como tal fluido. Cuando un rayo láser viaja a través de un material especial, los fotones —las partículas de luz— pueden interactuar entre sí, creando un flujo colectivo que imita el comportamiento de un superfluido. Este "superfluido de luz" ofrece un laboratorio único para que los físicos prueben las reglas de la hidrodinámica cuántica sin necesidad del frío extremo requerido para los gases atómicos.

La pregunta central en este campo es simple pero profunda: ¿qué tan rápido puede fluir este fluido sin fricción antes de que se rompa? Existe un límite de velocidad teórico, conocido como la velocidad crítica, más allá del cual el fluido ya no puede mantener su estado perfecto y libre de disipación. Una vez que el flujo supera esta velocidad, comienza a perder energía, a menudo mediante la creación de diminutos remolinos giratorios llamados vórtices. Comprender exactamente cuándo y cómo ocurre esta transición es crucial para mapear los límites del comportamiento cuántico. Si bien las teorías iniciales proporcionaron una estimación base para este límite de velocidad, a menudo no lograron dar cuenta de la realidad desordenada de los obstáculos en el flujo. Cuando un superfluido encuentra un objeto, la interacción rara vez es simple, y la velocidad real a la que el fluido se rompe puede ser significeldamente menor que la predicción ideal.

Un equipo de investigadores en Francia, Italia y Portugal ha abordado ahora este problema con un enfoque fresco, utilizando un haz de luz que fluye a través de una nube cálida de gas de rubidio. En lugar de confiar en una sola medición para determinar cuándo se rompe el superfluido, idearon un método que observa tres cosas diferentes sucediendo al mismo tiempo. Su objetivo era encontrar el momento preciso en que el fluido transiciona de un deslizamiento suave y sin fricción a un estado turbulento y con pérdida de energía mientras se mueve alrededor de un obstáculo móvil. Al cotejar estas tres señales independientes, crearon una imagen mucho más fiable de la velocidad crítica de lo que había sido posible anteriormente.

El experimento se construyó alrededor de un ingenioso montaje óptico. Los investigadores generaron una hoja bidimensional de luz, que actuaba como su superfluido, enviando un rayo láser a través de una celda calentada llena de vapor de rubidio. Para crear el obstáculo, o "impureza", superpusieron un segundo rayo láser más estrecho al flujo principal. Este segundo rayo fue ajustado a un color específico que causó que los átomos en el gas se reorganizaran, tallando efectivamente un agujero repulsivo e impenetrable en la trayectoria del haz de luz principal. Este agujero actuó como un objeto sólido alrededor del cual el superfluido tenía que fluir. Crucialmente, este obstáculo no estaba fijo en su lugar; tenía una masa finita y podía moverse, lo que permitió a los investigadores observar cómo interactuaban el fluido y el objeto de manera dinámica.

Para hallar la velocidad crítica, el equipo varió la velocidad del flujo de luz inclinando ligeramente el ángulo del láser entrante. A medida que aumentaban la velocidad, monitoreaban tres signos distintos de problemas. El primer signo fue la aparición de vórtices. En un superfluido perfecto, el flujo es suave y uniforme. Pero una vez que la velocidad cruzaba el umbral, el fluido comenzaba a desprender pares de diminutos remolinos que rotan en direcciones opuestas en la estela del obstáculo. Los investigadores contaron estos vórtices, buscando el momento exacto en que aparecía el primer par.

El segundo signo fue la fuerza ejercida sobre el obstáculo. En un verdadero superfluido, un objeto que se mueve a través del fluido no siente resistencia; se desliza sin fricción. Sin embargo, una vez que se supera la velocidad crítica y se forman los vórtices, el fluido comienza a tirar del obstáculo, creando una fuerza medible. El equipo midió esta fuerza hidrodinámica, observando el momento en que de repente saltaba de cero a un valor positivo, indicando que el fluido ahora estaba arrastrando al objeto corriente arriba contra el flujo.

El tercer signo fue el movimiento del propio obstáculo. Debido a que el obstáculo tenía masa, la fuerza del fluido podía realmente empujarlo. Los investigadores rastrearon la posición del obstáculo en relación con el flujo. Mientras el fluido permaneciera superfluido, el obstáculo se mantenía en su lugar. Pero en el momento en que el flujo se volvía turbulento, la fuerza de los vórtices recién formados empujaba el obstáculo hacia atrás, haciendo que derivara en la dirección opuesta al flujo.

Al comparar los resultados de estos tres métodos, los investigadores encontraron una historia notablemente consistente. Todos los indicadores señalaban la misma velocidad crítica, confirmando que la transición era real y no solo un artefacto de una técnica de medición. Descubrieron que la velocidad crítica era siempre menor que el máximo teórico predicho por modelos simples. Además, encontraron que el tamaño del obstáculo importaba: cuanto más grande era el obstáculo, menor era la velocidad a la que el superfluido se rompía. Un objeto más ancho perturbaba el flujo de manera más significativa, haciendo que fuera más fácil que el fluido perdiera su estado sin fricción.

El estudio también aclaró que la ruptura de la superfluidez en este sistema es impulsada por la creación de estos vórtices cuantizados, en lugar de por la emisión de ondas sonoras, que es lo que sucede en otros regímenes más débiles. El equipo señaló que, si bien sus resultados se alineaban bien con las tendencias generales predichas por la teoría para objetos grandes e impenetrables, los números exactos estaban influenciados por la forma suave y específica de su obstáculo óptico y la compleja forma en que la luz y los átomos interactuaban en el vapor cálido. Estos factores hicieron que un ajuste perfecto, uno a uno, con los modelos matemáticos idealizados fuera difícil, pero el comportamiento general era exactamente lo que se esperaría de un superfluido fluyendo frente a una barrera sólida.

Este trabajo establece un nuevo estándar para medir la velocidad crítica en superfluidos basados en luz. Al utilizar tres formas distintas de ver el mismo evento, los investigadores proporcionaron un punto de referencia robusto y coherente en el que futuros estudios podrán confiar. Sus hallazgos confirman que los superfluidos de luz paraxial son una plataforma poderosa y versátil para explorar la física fundamental de los fluidos cuánticos. La capacidad de ajustar el tamaño del obstáculo y la velocidad del flujo con alta precisión permite a los científicos sondear el delicado equilibrio entre el orden y el caos en los sistemas cuánticos, ofreciendo una ventana clara hacia cómo falla la superfluidez y cómo se disipa la energía en el mundo cuántico.