Um estudo publicado nesta sexta-feira (8) na revista Nature Physics identificou o fenômeno da instabilidade quântica de Kelvin-Helmholtz (KHI) na obra Noite Estrelada de Van Gogh. A pesquisa foi conduzida pela Universidade Metropolitana de Osaka, no Japão, e pelo Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia.
A instabilidade de KHI ocorre em fluidos quânticos quando existe uma diferença de velocidade entre duas regiões ou camadas. Essa instabilidade produz vórtices exóticos, ou seja, estruturas complexas com padrões incomuns de rotação — como os chamados skyrmions fracionários excêntricos, que formam redemoinhos incomuns em materiais magnéticos e apresentam formato crescente (algo visualmente semelhante à lua da Noite Estrelada).
Em outras palavras, a KHI faz parte da dinâmica dos fluidos e acontece quando dois fluidos (gases, plasmas ou líquidos) entram em contato, mas se movem com diferentes velocidades. Com isso, as moléculas de cada fluido são puxadas para direções distintas, gerando ondas que podem crescer e se transformar em redemoinhos (vórtices).
Na obra de Van Gogh, a representação das nuvens se assemelha com os vórtices. Já no cotidiano, o fenômeno pode ser visualizado na deformação das nuvens — a diferença de velocidade entre as camadas de ar no céu gera a padronização das ondulações. No oceano, o ar e o mar se movem em velocidades diferentes, por isso, geram ondas na superfície.
“Nossa pesquisa começou com uma pergunta simples: a instabilidade de Kelvin-Helmholtz pode ocorrer em fluidos quânticos?”, diz Hiromitsu Takeuchi, um dos principais autores deste estudo, em comunicado.
Resfriamento de gases
Pesquisadores resfriaram gases de lítio a uma temperatura próxima de zero absoluto, criando um superfluido quântico denominado condensado de Bose-Einstein multicomponente, ou seja, com dois tipos de fluidos coexistindo.
Dessa forma, quando os dois fluidos se encontram, formam uma interface, um tipo de fronteira. Ao se movimentarem em velocidades diferentes, podem surgir ondulações nessa fronteira, gerando um padrão de dedilhado ondulado (ondulações na fronteira dos dois fluidos). Os vórtices também são gerados e obedecem às leis topológicas da mecânica quântica.
Com esse experimento, os cientistas perceberam que os vórtices eram outro tipo de skyrmions fracionários excêntricos ou EFs (um tipo de defeito topológico recém-descoberto). “Skyrmions são geralmente simétricos e centralizados”, explica Takeuchi. “Mas os EFSs têm um formato crescente e contém singularidades embutidas — pontos onde a estrutura de rotação usual se rompe, criando distorções acentuadas. Para mim, a grande lua crescente no canto superior direito de ‘A Noite Estrelada’ parece exatamente um EFS.”
Inicialmente descobertos em materiais magnéticos, os skyrmions são estruturas muito pequenas, possuem estabilidade e uma dinâmica atípica. Devido essas características, existe um interesse em usar os skyrmions em dispositivos de memória e em spintrônica — tecnologia que explora uma propriedade quântica dos elétrons denominada spin.
Com o experimento, pesquisadores descobriram um novo tipo de skyrmions em um superfluido, que pode contribuir para a ascensão de inovações tecnológicas e melhor compreensão do sistema quântico. “Com experimentos mais precisos, poderemos testar previsões do século 19 sobre o comprimento de onda e a frequência das ondas de interface induzidas por KHI”, afirma Takeuchi.
“Os EFSs desafiam as classificações topológicas tradicionais”, acrescenta o cientista. “Suas singularidades incorporadas levantam novas questões, e esperamos explorar se estruturas semelhantes surgem em outros sistemas multicomponentes ou de dimensões superiores”.
Por: Revista Galileu
