Un 'océano' microscópico en un chip revela un nuevo comportamiento de las olas no lineales
Investigadores de la Universidad de Queensland (UQ) han creado un "océano" microscópico en un chip de silicio para miniaturizar el estudio de la dinámica de las olas. El dispositivo, desarrollado en la Facultad de Matemáticas y Física de la UQ, utiliza una capa de helio superfluido de tan solo unas millonésimas de milímetro de espesor en un chip más pequeño que un grano de arroz.
El Dr. Christopher Baker afirmó que se trataba del tanque de olas más pequeño del mundo, gracias a las propiedades cuánticas del helio superfluido, que le permitían fluir sin resistencia, a diferencia de fluidos clásicos como el agua, que se inmovilizan por la viscosidad a escalas tan pequeñas.
"El estudio del movimiento de los fluidos ha fascinado a los científicos durante siglos, ya que la hidrodinámica lo rige todo, desde las olas del océano y los remolinos de los huracanes hasta el flujo de sangre y aire a través de nuestros cuerpos", afirmó el Dr. Baker. "Pero gran parte de la física que subyace a las olas y la turbulencia ha sido un misterio".
"Utilizando luz láser para impulsar y medir las olas en nuestro sistema, hemos observado una serie de sorprendentes fenómenos. Observamos olas que se inclinaban hacia atrás en lugar de hacia adelante, frentes de choque y olas solitarias, conocidas como solitones, que se desplazaban como depresiones en lugar de picos. Este exótico comportamiento se había predicho en teoría, pero nunca antes se había observado".
Imagen: Imagen de microscopio electrónico del tanque de olas superfluidas utilizado en los experimentos (azul) acoplado a una fibra óptica que lleva luz láser dentro y fuera del dispositivo. El zoom muestra el resonador de cristal fotónico que atrapa y amplifica la luz láser para generar olas. La longitud total del dispositivo es de 100 micras, aproximadamente el grosor de un cabello humano. El tanque de olas microscópico está recubierto con 5 femtolitros de helio superfluido (un volumen 10 000 millones de veces menor que una gota de lluvia). Crédito: Dr. Christopher Baker
El profesor Warwick Bowen dijo que el enfoque a escala de chip en el Laboratorio de Óptica Cuántica de Queensland podría comprimir la duración de los experimentos un millón de veces, reduciendo los días de recopilación de datos a milisegundos.
"En los laboratorios tradicionales, los científicos utilizan enormes canales de olas de hasta cientos de metros de longitud para estudiar la dinámica de aguas someras, como tsunamis y olas gigantes", explicó el profesor Bowen. "Pero estas instalaciones solo alcanzan una fracción de la complejidad de las olas presentes en la naturaleza".
"La turbulencia y el movimiento no lineal de las olas configuran el tiempo, el clima e incluso la eficiencia de las tecnologías de energía limpia, como los parques eólicos. Nuestro dispositivo en miniatura amplifica las no linealidades que impulsan estos comportamientos complejos más de 100.000 veces. Poder estudiar estos efectos a escala de chip, con precisión a nivel cuántico, podría transformar la forma en que las entendemos y modelamos".
El profesor Bowen dijo que el desarrollo de la UQ abre un camino hacia la hidrodinámica programable, explicando: "Debido a que la geometría y los campos ópticos de este sistema se fabrican utilizando las mismas técnicas que las utilizadas para los chips semiconductores, podemos diseñar la gravedad efectiva, la dispersión y la no linealidad del fluido con extraordinaria precisión".
"Los experimentos futuros podrían utilizar esta tecnología para descubrir nuevas leyes de dinámica de fluidos y acelerar el diseño de tecnologías que abarcan desde turbinas hasta cascos de barcos. Los experimentos en esta pequeña plataforma mejorarán nuestra capacidad de predecir el clima, explorar las cascadas de energía e incluso la dinámica de los vórtices cuánticos: preguntas centrales tanto para la mecánica de fluidos clásica como para la cuántica".
El trabajo se publicó en la revista Science: Nonlinear wave dynamics on a chip
