Geração de turbulência de ondas em gases dipolares impulsionados através de suas transições de fase

Por que ondulações quânticas podem ficar turbulentas

Quando pensamos em turbulência, imaginamos céus tempestuosos ou oceanos agitados, não nuvens de átomos resfriadas a um bilionésimo de grau acima do zero absoluto. Ainda assim, este estudo mostra que até esses gases quânticos delicados podem tornar-se turbulentos de um modo surpreendentemente universal. Ao agitar um estado exótico da matéria chamado “supersólido”, composto por átomos fortemente magnéticos, os autores observam sua estrutura ordenada desmoronar-se em um mar turbulento de ondas, revelando como a energia se espalha por escalas no mundo quântico.

Um estado estranho entre sólido e líquido

O trabalho se concentra em gases ultrafrios de átomos de dissprósio, cujos momentos magnéticos fazem com que interajam a distâncias relativamente longas. Sob as condições adequadas, esses átomos se organizam em minúsculas gotas autoapegadas que ainda compartilham um fluxo comum e sem atrito — uma fase híbrida conhecida como supersólido. Ela combina ordem tipo cristal (picos de densidade regulares) e comportamento superfluido (massa que pode fluir sem resistência). Essa combinação incomum torna os supersólidos um campo ideal para explorar como a matéria quântica estruturada responde quando é levada para longe do equilíbrio.

Conduzindo o sistema por suas fases quânticas

Nas simulações, os pesquisadores aprisionam cerca de oitenta mil átomos de dissprósio em uma “tigela” harmônica tridimensional em formato de charuto. Em seguida, modulam periodicamente a intensidade das interações atômicas, um truque que experimentos modernos realizam com campos magnéticos. Ao modular essa interação, eles forçam o gás a cruzar repetidamente fronteiras de fase: de supersólido para superfluido comum, de superfluido de volta a supersólido e de supersólido para uma rede de gotas quase isoladas. Essa excitação periódica injeta energia no sistema de maneira controlada, como sacudir um recipiente de água em uma frequência escolhida.

De padrões ordenados a ondas turbulentas

À medida que a excitação prossegue, o arranjo hexagonal inicialmente bem definido de gotas começa a derreter. A simetria cristalina se quebra, picos de alta densidade se movem e se fundem, e pequenos pares de vórtices aparecem e desaparecem no fundo fluido. Em tempos mais longos, a estrutura detalhada das gotas esmaece e o gás desenvolve ondulações de densidade irregulares semelhantes às observadas em superfluidos não magnéticos submetidos à “turbulência de ondas”. Em vez de ser dominada por redemoinhos, essa forma de turbulência é governada por ondas não lineares que trocam energia e partículas ao longo de uma ampla faixa de escalas de comprimento.

Impressões digitais universais de uma cascata turbulenta

Para diagnosticar a turbulência, os autores analisam como os átomos estão distribuídos em diferentes momentos, o que corresponde a quão onduladas são as padrões de densidade. Eles descobrem que, em tempos tardios, essa distribuição de momento torna-se quase independente da direção e segue uma simples lei de potência: a intensidade decai aproximadamente como uma potência fixa do momento. O mesmo tipo de comportamento em lei de potência aparece no espectro da energia cinética. Juntas, essas características sinalizam uma cascata direta de energia — a energia flui de estruturas grandes e de variação lenta para ondulações cada vez mais finas. Notavelmente, os expoentes-chave que descrevem essa escalação convergem para valores semelhantes independentemente de o sistema começar como supersólido, superfluido ou uma rede de gotas, e independentemente da frequência precisa da excitação.

Supersólidos: um atalho para a turbulência

Uma descoberta central é que supersólidos atingem o estado turbulento mais rápido do que superfluidos simples. Porque os supersólidos naturalmente suportam excitações em momentos mais altos — ligadas a uma depressão em seu espectro de excitação conhecida como “mínimo de roton” — sua distribuição inicial de momento já se estende mais para a região de números de onda altos. Isso dá à cascata de energia uma vantagem: a chamada frente da cascata, que marca a borda em avanço do espectro turbulento, move-se para fora no tempo com uma lei de potência universal, mas começa a partir de momentos maiores no caso do supersólido. Mesmo quando processos realistas de perda por três corpos são incluídos (que removem gradualmente átomos de regiões densas), a mesma escala turbulenta surge, embora os componentes de maior momento decaiam mais fortemente.

O que isso significa para o quadro maior

Para um não especialista, a mensagem principal é que a turbulência no mundo quântico obedece a regras surpreendentemente universais, mesmo em sistemas com interações de longo alcance, altamente direcionais e fases exóticas como supersólidos. Ao mostrar que o mesmo tipo de turbulência de ondas aparece em diferentes estados iniciais e sobrevive a perdas realistas, este trabalho abre caminho para estudos laboratoriais de cascatas turbulentas usando gases quânticos ajustáveis. Tais experimentos podem ajudar a ligar nossa compreensão da turbulência desde sistemas de átomos ultrafrios até plasma, oceanos e escoamentos astrofísicos, revelando profundas semelhanças na forma como a energia se move e as estruturas se desfazem na natureza.

Citação: 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

Palavras-chave: turbulência quântica, supersólido, condensado de Bose-Einstein dipolar, cascata de ondas, átomos ultrafrios