O calor se espalha como ondas bizarras de 'segundo som' em superfluidos: WebCuriosos

Uma caneca de chocolate quente deixada um pouco em uma sala fria não vai aquecer sua barriga.

Mas uma nova pesquisa mostra que se for deixada numa sala ainda mais fria, praticamente desprovida de calor, a sua chávena de delicioso cacau estará quente novamente num instante.

Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, nos EUA, e da Universidade de Tecnologia de Swinburne, na Austrália, descobriram um fenômeno termodinâmico bizarro de ondas de calor em recuperação em materiais conhecidos como superfluidos.

Embora não seja de forma alguma um meio prático de manter as suas bebidas bem quentes, diz-nos algumas coisas sobre os movimentos da energia através de materiais exóticos, como o gás quântico superfluido estudado nesta experiência.

“Existem fortes ligações entre a nossa nuvem de gás, que é um milhão de vezes mais fina que o ar, e o comportamento dos eletrões em supercondutores de alta temperatura, e até dos neutrões em estrelas de neutrões ultradensas,” diz Físico do MIT, Martin Zwierlein.

“Agora podemos sondar com precisão a resposta à temperatura do nosso sistema, o que nos ensina coisas que são muito difíceis de compreender ou mesmo de alcançar.”

A “sopro de gás” de Zwierlein consiste em um isótopo de lítio preso em uma sala com paredes feitas de luz e resfriado a um mínimo de zero absoluto. Sob essas condições, cutucadas e cutucadas de forças atômicas mais sutis e comportamentos quânticos que normalmente são dominados pelo empurrão da energia térmica vêm à tona e criam o que é conhecido como Gás Fermi.

Os átomos nestas condições são capazes de realizar algumas atividades estranhas. Podem, por exemplo, comportar-se como superfluido – materiais que fluem com viscosidade zero.

Um dos físicos por trás da teoria da superfluidez, Lev Landaudeduziu que um líquido de hélio II resfriado neste estado reteria um componente viscoso e, portanto, consistiria em dois fluidos, um 'super' e um 'normal'.

Foi demonstrado que esses dois fluidos podem transportar suas próprias ondas de energia, produzindo o que é conhecido como segundo som. Há apenas alguns anos, físicos das Universidades de Cambridge e Oxford, no Reino Unido, demonstraram que ondas de calor e som podem mover-se de maneiras distintas através de uma névoa quântica de condensado de Bose Einstein, como se nenhum deles estivesse ciente da jornada do outro.

Embora o comportamento ondulatório do calor tenha sido claramente observado neste segundo som, ele ainda precisava ser estudado em detalhes reais.

“O segundo som é a marca registrada da superfluidez, mas até agora em gases ultrafrios você só conseguia vê-lo neste fraco reflexo das ondulações de densidade que o acompanham,” diz Dois pequeninos.

“O caráter da onda de calor não pôde ser comprovado antes”.

Para determinar a natureza deste fluxo de energia térmica, a equipe desenvolveu um método de mapeamento de calor que capturou as frequências de radiação específicas da energia térmica que se move através de um gás Fermi feito do isótopo lítio-6. Isto permitiu-lhes desenvolver uma imagem dinâmica do calor à medida que se espalhava através de um sistema de dois fluidos.

Em condições mais ambientais, as partículas em fluidos como a água irão colidir com a energia térmica, partilhando o seu calor com os seus vizinhos em cada colisão, que por sua vez partilham uma parte da sua energia com os seus próprios vizinhos, e assim por diante. Isso faz com que o calor se dissipe da área quente e se mova através do sistema até que tudo esteja em equilíbrio.

Os superfluidos seguem suas próprias regras. Em vez de se difundir através de uma nuvem de átomos com um zumbido caótico, a energia térmica progride de uma forma mais ordenada, semelhante a uma onda, “balançando” para a frente e para trás dentro dos limites do seu recipiente.

Compreender a dinâmica da energia térmica em materiais sob condições extremas poderia levar a melhores modelos para melhorar a tecnologia supercondutora ou teorizar o comportamento das partículas nas profundezas das estrelas.

Afinal, pode até nos ajudar a encontrar uma maneira de manter seu cacau bem quente por mais um pouco.

Esta pesquisa foi publicada em Ciência.