Generación de turbulencia de ondas en gases dipolares impulsados a través de sus transiciones de fase

Por qué las ondulaciones cuánticas pueden volverse turbulentas

Cuando pensamos en turbulencia, imaginamos cielos tormentosos o océanos embravecidos, no nubes de átomos enfriadas hasta una mil millonésima parte por encima del cero absoluto. Sin embargo, este estudio muestra que incluso estos delicados gases cuánticos pueden volverse turbulentos de una forma sorprendentemente universal. Al sacudir un estado exótico de la materia llamado “supersólido” formado por átomos fuertemente magnéticos, los autores observan cómo su estructura ordenada se descompone en un mar turbulento de ondas, revelando cómo la energía se distribuye entre escalas en el mundo cuántico.

Un estado extraño entre sólido y líquido

El trabajo se centra en gases ultrafríos de átomos de disprosio, cuyos momentos magnéticos hacen que interactúen a distancias relativamente largas. Bajo las condiciones adecuadas, estos átomos se organizan en pequeñas gotas autoenlazadas que aún comparten un flujo común y sin fricción: una fase híbrida conocida como supersólido. Tiene tanto orden tipo cristal (picos de densidad repetitivos) como comportamiento superfluido (la masa puede fluir sin resistencia). Esta combinación inusual convierte a los supersólidos en un escenario ideal para explorar cómo responde la materia cuántica estructurada cuando se la lleva lejos del equilibrio.

Impulsando el sistema a través de sus fases cuánticas

En las simulaciones, los investigadores confinan alrededor de ochenta mil átomos de disprosio en una “cuenca” armónica de forma cigarro en tres dimensiones. Luego ajustan periódicamente la intensidad de las interacciones entre átomos, un truco que los experimentos modernos logran usando campos magnéticos. Al modular esta interacción, obligan al gas a cruzar repetidamente fronteras de fase: de supersólido a superfluido ordinario, del superfluido de nuevo al supersólido, y del supersólido a una red de gotas casi aisladas. Esta excitación periódica inyecta energía en el sistema de manera controlada, como agitar un recipiente de agua a una frecuencia determinada.

De patrones ordenados a ondas turbulentas

A medida que avanza la excitación, la inicialmente ordenada red hexagonal de gotas comienza a fundirse. La simetría cristalina se rompe, los picos de alta densidad se desplazan y se fusionan, y parejas de vórtices pequeñas aparecen y desaparecen en el fondo fluido. Con el tiempo, la estructura detallada de las gotas se desvanece y el gas desarrolla ondulaciones de densidad irregulares similares a las observadas en superfluidos no magnéticos que experimentan “turbulencia de ondas”. En lugar de estar dominada por remolinos, esta forma de turbulencia está gobernada por ondas no lineales que intercambian energía y partículas en una amplia gama de escalas espaciales.

Huellas universales de una cascada turbulenta

Para diagnosticar la turbulencia, los autores analizan cómo se distribuyen los átomos entre distintos momentos, lo que corresponde a cuán ondulada es la pauta de densidad. Encuentran que, en tiempos tardíos, esta distribución de momentos se vuelve casi independiente de la dirección y sigue una ley de potencias sencilla: la intensidad decae aproximadamente como una potencia fija del momento. El mismo tipo de comportamiento en ley de potencias aparece en el espectro de energía cinética. En conjunto, estas características señalan una cascada directa de energía: la energía fluye de estructuras grandes y de variación lenta hacia ondulaciones cada vez más finas. De manera notable, los exponentes clave que describen este escalado se asientan en valores similares sin importar si el sistema comienza como supersólido, superfluido o una matriz de gotas, y sin importar la frecuencia exacta del impulso.

Supersólidos: una vía rápida hacia la turbulencia

Un hallazgo central es que los supersólidos alcanzan el estado turbulento más rápido que los superfluidos simples. Debido a que los supersólidos sostienen naturalmente excitaciones a momentos más altos —vinculadas a una depresión en su espectro de excitaciones conocida como “mínimo roton”— su distribución inicial de momentos ya se extiende más hacia la región de números de onda elevados. Esto da a la cascada de energía una ventaja inicial: el llamado frente de la cascada, que marca el borde avanzado del espectro turbulento, se desplaza hacia afuera en el tiempo con una ley de potencias universal, pero comienza desde momentos mayores en el caso del supersólido. Incluso cuando se incluyen procesos realistas de pérdida por interacciones de tres cuerpos (que eliminan gradualmente átomos de las regiones densas), emerge el mismo escalado turbulento, aunque los componentes de mayor momento decaen con más fuerza.

Qué significa esto para el panorama general

Para un lector no especializado, el mensaje principal es que la turbulencia en el mundo cuántico obedece reglas sorprendentemente universales, incluso en sistemas con interacciones de largo alcance y muy direccionales y fases exóticas como los supersólidos. Al mostrar que el mismo tipo de turbulencia de ondas aparece en diferentes estados iniciales y sobrevive a pérdidas realistas, este trabajo allana el camino para estudios de laboratorio de cascadas turbulentas usando gases cuánticos con parámetros ajustables. Tales experimentos podrían ayudar a conectar nuestra comprensión de la turbulencia desde sistemas de átomos fríos hasta plasmas, océanos y flujos astrofísicos, revelando profundas semejanzas en cómo la energía se mueve y las estructuras se desmoronan en la naturaleza.

Cita: Bougas, G.A., Mukherjee, K. & Mistakidis, S.I. Generation of wave turbulence in dipolar gases driven across their phase transitions. Commun Phys 9, 54 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02487-w

Palabras clave: turbulencia cuántica, supersólido, condensado de Bose-Einstein dipolar, cascada de ondas, átomos ultrafríos