Observan las cascadas hacia la turbulencia en estados condensados de Bose-Einstein

Según las simulaciones por ordenador (1997) de la ecuación de Gross–Pitaevskii la turbulencia en un estado condensado de Bose–Einstein aparece vía una cascada de Kolmogorov–Obukhov (1941). Por primera vez se ha logrado observar esta cascada hacia la turbulencia en un experimento con un condensado de Bose–Einstein. Los resultados observados se ajustan muy bien a las predicciones numéricas. Un gran paso hacia el estudio experimental de la turbulencia en líquidos cuánticos.

Usar condensados de Bose–Einstein para estudiar la turbulencia prometen revolucionar nuestra conocimiento sobre ella, al menos en superfluidos. El artículo es Nir Navon, Alexander L. Gaunt, …, Zoran Hadzibabic, “Emergence of a turbulent cascade in a quantum gas,” Nature 539: 72–75 (03 Nov 2016), doi: 10.1038/nature20114, arXiv:1609.01271 [cond-mat.quant-gas]. Más información divulgativa en Brian P. Anderson, “Fluid dynamics: Turbulence in a quantum gas,” Nature 539: 36–37 (03 Nov 2016), doi: 10.1038/539036a.

Observación experimental de la cascada hacia la turbulencia en el BEC y su relajación posterior hacia el estado inicial. En el inciso aparecen los resultados numéricos según la ecuación de Gross–Pitaevskii. 

A priori, un condensado de Bose–Einstein (BEC) es el fluido cuántico menos turbulento que uno puede imaginar. Sin embargo se puede forzar una cascada de Kolmogorov–Obukhov en un condensado formado por unos cien mil átomos de rubidio en una trampa óptica cilíndrica de unos 30 micrómetros de longitud que están enfriados a unos 50 nanokelvin (milmillonésimas de grado sobre el cero absoluto). El método usa un campo magnético oscilatorio que inyecta energía en los modos de momento más bajo del condensado.

La dinámica no lineal del condensado provoca que la excitación de átomos con momento bajo se propague en cascada hacia los de momento alto. Tras unos dos segundos de excitación se observa un estado muy similar a la turbulencia. Cuando se estudia la distribución de momentos en función de la frecuencia de la excitación se observa que sigue las leyes de potencia predichas por Kolmogorov–Obukhov.

Distribución del momento en función del número de onda de la excitación. Se compara el resultado experimental con las simulaciones numéricas.

El resultado experimental implica una ley de potencia con un exponente de −3,5, cuando el valor predicho por la teoría de Kolmogorov–Obukhov es de −3 para un superfluido compresible turbulento. Por supuesto, en fluidos clásicos la cascada se produce en la vorticidad (los vórtices más grandes se rompen en vórtices más pequeños y estos también de forma sucesiva). 

En un BEC también se observan vórtices y se espera que futuros experimentos puedan observar la cascada hacia la turbulencia usando vórtices. Quizás se obtengan pistas que guíen a los matemáticos que estudian el problema de la turbulencia en fluidos clásicos.