Los físicos de la Universidad de California, Berkeley, han enfriado un gas hasta el estado más silencioso jamás logrado, con la esperanza de detectar efectos cuánticos débiles perdidos en el ruido de fluidos más fríos pero ruidosos.
Si bien la temperatura del gas ultrafrío, una billonésima de grado por encima del cero absoluto, es dos veces más caliente que el frío récord, el gas tiene la entropía más baja jamás medida. La entropía es una medida de desorden o ruido en un sistema; ungrabar gas a baja temperatura no es necesariamente el menos ruidoso.
"Esta condición de 'entropía más baja' o 'ruido más bajo' significa que el gas cuántico puede usarse para producir efectos mecánicos cuánticos sutiles que son un objetivo principal para la investigación moderna en materiales y en la física de muchos cuerpos", dijo co-autor Dan Stamper-Kurn, profesor de física de UC Berkeley. "Cuando todo está tranquilo y todo está quieto, uno puede discernir la música sutil de la mecánica cuántica de muchos cuerpos".
El gas cuántico, un llamado condensado de Bose-Einstein, consistía en aproximadamente un millón de átomos de rubidio atrapados por un haz de luz, aislado en el vacío y enfriado a su estado de energía más bajo. La entropía y la temperatura eran tan bajas quelos investigadores tuvieron que desarrollar un nuevo tipo de termómetro para medirlos.
Si bien alcanzar temperaturas extremadamente bajas puede llegar a los libros de récords, dijo Ryan Olf, estudiante graduado de la Universidad de Berkeley, lo que los científicos apuntan hoy son estados de baja entropía que pueden estudiar para comprender materiales más interesantes pero difíciles de estudiar.
La capacidad del equipo de UC Berkeley para manipular gases ultrafríos y de baja entropía les permitirá estudiar estos sistemas cuánticos, incluidos los imanes cuánticos, potencialmente útiles en computadoras cuánticas, y los superconductores de alta temperatura. Los superconductores de alta temperatura son materiales experimentales quemuestra la superconductividad flujo eléctrico sin resistencia a temperaturas relativamente altas en comparación con los 3 o 4 grados centígrados por encima del cero absoluto, típico de los superconductores convencionales de la actualidad.
"Uno de los santos griales de la física moderna es comprender estos materiales exóticos lo suficientemente bien como para diseñar uno que sea superconductor sin requerir ningún tipo de enfriamiento", dijo Olf. "Al estudiar las propiedades de los gases de baja entropía en varias configuraciones,nuestra comunidad de investigadores espera aprender qué hace que estos fascinantes materiales funcionen como lo hacen "
Olf dijo que la entropía por partícula, en lugar de la temperatura, es el parámetro pertinente al comparar sistemas, y los gases ultrafríos que se habían producido hasta ahora luchaban por alcanzar las bajas entropías que serían necesarias para probar los modelos de estos materiales.
"En un sentido muy real, este constituye el gas más frío jamás producido, a 50 veces más bajo que la temperatura a la que se manifiestan los efectos estadísticos cuánticos, la temperatura de condensación de Bose-Einstein", dijo.
Los detalles del experimento se publicaron en línea el mes pasado y aparecerán en una futura edición impresa de la revista Física de la naturaleza .
reduciendo el ruido
Stamper-Kurn y su equipo de laboratorio enfrían los gases a temperaturas tan bajas que los efectos cuánticos toman el control, lo que conduce a un extraño comportamiento "superfluido", como el flujo sin fricción. El helio superfluido es famoso por subir y sobre el borde de una taza.Los gases superfluidos exhiben vórtices, pequeños tornados como los creados cuando se agita una taza de café, que viven para siempre.
A estas bajas temperaturas, dijo Stamper-Kurn, las excitaciones de baja energía o la agitación de los átomos son ondas sonoras ". La temperatura genera algo así como un ruido constante en el gas, y la entropía es como un recuento de cuántospermanecen las excitaciones de las ondas sonoras. Cuanto más frío se vuelve un gas, menos entropía tiene y más silencioso es ".
Normalmente, un condensado de Bose-Einstein es una mezcla de un gas cuántico y un gas normal. Su temperatura se determina midiendo las propiedades térmicas del gas normal. Sin embargo, un gas de baja entropía es casi todo el gas cuántico.El equipo tuvo que encontrar una forma diferente de medir la temperatura. Lo hicieron inclinando la magnetización de los espines atómicos y midiendo las propiedades térmicas de la magnetización inclinada, creando esencialmente un termómetro de magnón.
Los giros inclinados también los ayudaron a enfriar el gas a su estado de baja entropía al mejorar el enfriamiento por evaporación en el que los investigadores han confiado durante mucho tiempo para producir gases ultrafríos. Además de eliminar átomos calientes para reducir la temperatura promedio del gas, utilizaronEl enfriamiento por evaporación de los giros termalizados para reducir la temperatura a 1 nanoKelvin una billonésima parte de un grado por encima del cero absoluto, que corresponde a una entropía 100 veces menor que los experimentos anteriores, dijo Olf.
Otros coautores son Fang Fang, G. Edward Marti y Andrew MacRae. El trabajo es apoyado por la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de EE. UU. Y la Fundación Nacional de Ciencia.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Berkeley . Original escrito por Robert Sanders. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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