Cuando el agua en una olla se calienta lentamente hasta hervir, se produce un emocionante duelo de energías dentro del líquido. Por un lado, está la energía de interacción que quiere mantener juntas las moléculas de agua debido a su atracción mutua.Por otro lado, sin embargo, la energía motriz, que aumenta debido al calentamiento, trata de separar las moléculas. Por debajo del punto de ebullición prevalece la energía de interacción, pero tan pronto como la energía motriz gana, el agua hierve y se convierte en vapor de agua. Este proceso estambién conocida como transición de fase. En este escenario, la interacción solo involucra moléculas de agua que están en proximidad inmediata entre sí.
Un equipo de investigadores dirigido por Tilman Esslinger en el Instituto de Electrónica Cuántica en ETH Zurich, y Tobias Donner, un científico de su grupo, ahora han demostrado que las partículas pueden "sentirse" entre sí incluso a grandes distancias.Al agregar tales interacciones de largo alcance, los físicos pudieron observar transiciones de fase novedosas que resultan de batallas energéticas de tres vías.
mundos cuánticos artificiales
Los físicos, por supuesto, no realizaron sus experimentos en una olla, sino en un mundo cuántico creado artificialmente llamado "simulador cuántico". Para hacerlo, los investigadores enfriaron una pequeña nube de átomos de rubidio a temperaturas justo por encimacero absoluto y luego los atrapó en una red cristalina hecha de rayos láser. La energía de interacción proviene de colisiones entre átomos que se mueven hacia adelante y hacia atrás entre sitios de red. La energía motriz de los átomos, por otro lado, se puede controlar a través deLa intensidad de los rayos láser, que determina la facilidad con que los átomos pueden moverse dentro de la red.
Finalmente, para lograr una interacción entre átomos que están muy separados, Renate Landig, estudiante de doctorado en el grupo de Esslinger, y sus colegas usaron un truco técnico. Utilizando dos espejos altamente reflectantes, construyeron un resonador que aseguró que las partículas de luzdispersados por uno de los átomos volarían a través de la nube de rubidio varias veces. De esa manera, tarde o temprano todos los átomos en la nube entrarían en contacto con el fotón disperso. De este modo, "sentirían" la presencia del átomo original que primero se desvióel fotón. Esta sensación a distancia es equivalente a una interacción efectiva de largo alcance. La intensidad con la que interactúan los átomos de esta manera puede controlarse exactamente a través de la frecuencia de los rayos láser.
"Usando este truco ahora tenemos tres escalas de energía competidoras en nuestro sistema: además de las energías de movimiento e interacción, hay, además, la energía asociada con la interacción de largo alcance", explica Landig. "Al variar la energía de movimiento yla energía de interacción de largo alcance, podemos estudiar una serie de nuevas transiciones de fase cuántica ".
Transiciones de fase de primer orden
Los investigadores ya estaban familiarizados con algunas de las posibles transiciones de fase. Por ejemplo, cuando la interacción de largo alcance es muy pequeña y la energía de movimiento aumenta poco a poco, la fase de la nube de rubidio cambia de un aislador Mott, conun átomo inmóvil sentado en cada sitio de red, a un superfluido, en el cual los átomos pueden moverse completamente libremente.
Si, por el contrario, los investigadores aumentan la energía de interacción de largo alcance, sucede algo completamente diferente. Con una fuerza particular de esa interacción, los átomos se organizan espontáneamente en un patrón de tablero de ajedrez, con un sitio de celosía vacío entre dos átomos ". La peculiaridadde esta transición de fase, que es similar a la que existe entre el agua y el vapor de agua, es que es una transición de primer orden ", enfatiza Donner. En tales transiciones de fase, una propiedad particular de una sustancia cambia repentinamente, mientras que las transiciones de fase de segundo orden, que son lasEl tipo de transiciones que se han detectado en sistemas cuánticos artificiales hasta ahora se caracterizan por un cambio gradual.
Supersolidez detectada
Los físicos también pudieron inducir otra transición de fase inusual al hacer que tanto la energía de movimiento como la energía de interacción de largo alcance fueran muy grandes. En ese caso, también apareció un patrón de tablero de ajedrez dentro de la red, pero esta vez hubo coherencia de faseentre los átomos, en otras palabras, sus funciones de onda mecánica cuántica se sincronizaron. La coherencia de fase generalmente solo se observa cuando los átomos son relativamente libres de moverse, como es el caso, por ejemplo, en el estado superfluido. La coexistencia de un tablero de ajedrezEl patrón y la coherencia de fase al mismo tiempo indican que uno está lidiando con una fase supersólida. El estado híbrido de la supersolidez se pronosticó teóricamente hasta hace cincuenta años, pero hasta ahora ha sido difícil detectarlo sin ambigüedades.
En el futuro, Esslinger y sus colaboradores utilizarán su simulador cuántico para estudiar más de cerca tales efectos exóticos. El objetivo de los investigadores es tener una idea general de los fenómenos cuánticos en sistemas cada vez más complejos. Esto, a su vez, va de la manocon el desarrollo e investigación de materiales con propiedades especiales.
La investigación se realizó en conjunto con TherMiQ, un proyecto de investigación europeo que examina la termodinámica de los sistemas cuánticos abiertos mesoscópicos.
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Materiales proporcionados por ETH Zúrich . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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