Descubierta en helio líquido hace unos 80 años, la superfluidez es un fenómeno contraintuitivo, en el que la física cuántica y la dualidad de onda de partículas se manifiestan a nivel macroscópico. Desde entonces, ha producido muchos avances en la comprensión de la materia cuántica, pero deja misteriosa parte desus características Una característica distintiva de la superfluidez es la existencia de las llamadas "cuasi partículas", es decir, excitaciones elementales vestidas de interacciones.
El comportamiento de un fluido tan especial está dictado principalmente por dos tipos de excitaciones a baja temperatura, ya que su costo de energía moderado permite excitarlos fácilmente. Los primeros son los modos de fonón, la conocida onda de sonido de onda largaquanta. Las segundas, mucho más extrañas e intrigantes, son cuasi partículas masivas llamadas rotones. Tienen grandes momentos y, al contrario de las partículas comunes cuasi para las cuales la energía aumenta con el impulso, la relación de dispersión de rotones exhibe unamínimo en un momento finito, llamado momento de rotón. Este comportamiento inusual expresa la tendencia de los fluidos a acumular modulación de densidad de onda corta en el espacio, precursor de una inestabilidad de cristalización. Este comportamiento surge de una notable diafonía o correlaciones entre las partículas, debido a la densidad extremadamente alta del fluido.
Los gases cuánticos ultrafríos y, en particular, los condensados de Bose-Einstein, realizados por primera vez en 1995, ofrecen otro paradigma de superfluidez, donde, debido a las densidades mucho más bajas, el modo de rotón está ausente. Sin embargo, en 2003, los teóricos sugirieron que el rotónLas excitaciones también pueden ocurrir en condensados gaseosos para tipos especiales de interacciones entre partículas.
En su opinión, los átomos magnéticos con su interacción dipolo-dipolo anisotrópico y de largo alcance permitirían introducir correlaciones notables entre las partículas, lo que llevaría a una relación de dispersión de rotones. Ahora, gracias al aporte teórico del grupo de investigación de Luis Santos enla Universidad de Hannover y Rick van Bijnen del Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia de Ciencias de Austria, el equipo dirigido por Francesca Ferlaino en el Departamento de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck y el Instituto de Óptica Cuántica y CuánticaLa información de la Academia de Ciencias de Austria ha demostrado excitaciones de rotón en un gas cuántico dipolar por primera vez.
Rotón observado en gas cuántico dipolar
En una primicia internacional, los científicos de Innsbruck se dieron cuenta de un condensado de átomos de erbio de Bose-Einstein en 2012. El fuerte carácter magnético de estos átomos conduce a un comportamiento dipolar extremo del sistema cuántico. Con este sistema modelo, ya han podidodetectar varios efectos dipolares de pocas y muchas partículas. El grupo ahora ha logrado preparar un condensado de Bose-Einstein de aproximadamente 100,000 átomos de erbio de tal manera que surge un modo de rotón. "Usamos una trampa de luz láser en forma de cigarro yOriente los dipolos atómicos transversalmente gracias a un campo magnético ", explica la primera autora Lauriane Chomaz. En esta geometría, los dipolos atómicos se atraen entre sí cuando se sientan en la dirección corta del cigarro y se repelen cuando se sientan a lo largo del largo."El carácter de largo alcance de la interacción dipolar introduce una conversación cruzada entre las diferentes direcciones de la trampa de cigarros y las características atractivas / repulsivas de la interacción en esta trampa".presenta una modulación de la nube a lo largo de la dirección larga del cigarro, con una longitud de onda que coincide con la longitud corta del cigarro.Esta es la excitación del rotón."Al apagar adicionalmente la fuerza de las interacciones entre partículas, podemos poblar el modo de rotón", dice Chomaz.
Nuevo enfoque en la supersolidez
La detección exitosa de esta cuasipartícula tan esperada allana el camino para futuras investigaciones sobre la superfluidez. Además, también crea posibilidades para explorar un estado paradójico de la materia que muestra simultáneamente las propiedades de los sólidos y los superfluidos. La primera evidencia de supersólidoLos estados de Innsbruck se mostraron convencidos el año pasado en sistemas híbridos de átomos y luz.fluidos, como también se demostró previamente con el descubrimiento de gotas cuánticas dipolares en el grupo de Tilman Pfau en Stuttgart.
El trabajo de los científicos de Innsbruck fue apoyado financieramente, entre otros, por el Fondo de Ciencia de Austria FWF y la Unión Europea.
Más información sobre el rotón y la superfluidez: en la década de 1940, cuando el helio superfluido era un nuevo rompecabezas, el físico soviético Lev Landau dio un gran paso adelante en la comprensión de la superfluidez cuando introdujo el concepto de cuasipartículas para describir cómo se obtiene este fluido cuánticoexcitado. Las cuasi-partículas corresponden a estados colectivos de excitaciones del fluido y, de manera similar a los fotones que son excitaciones del campo electromagnético, se comportan como partículas, transportando un momento y una energía bien definidos. El inverso del momento defineuna longitud de onda correspondiente al período de la modulación espacial asociada a la excitación. Las cuasipartículas se caracterizan principalmente por la relación que conecta su momento y su energía, llamada relación de dispersión. Con una intuición notable, Landau postuló la existencia de dos tipos distintos de cuasipartículas, los fonones y los rotones, que distinguió fenomenológicamente por la diferente dispersión relaciónSi bien la energía generalmente aumenta con el impulso, como lo hace con los fonones, los rotones son las excitaciones especiales que tienen un gran impulso pero exhiben un mínimo de energía.Esto indica que el sistema se excita más preferiblemente con una modulación de longitud de onda correspondiente al mínimo de energía, la longitud de onda del rotón.La intuición de Landau fue tema de un intenso debate, en particular con su colega Fritz London, y fue confirmada y explorada por numerosos experimentos desde los años 60.
Desde mediados de la década de 1990, la investigación sobre la superfluidez ha tomado un nuevo impulso con la creación de condensados gaseosos de Bose-Einstein en el laboratorio. Los gases cuánticos apuntalan la universalidad del comportamiento superfluido observado por primera vez en el helio líquido. El helio líquido y los gases ultrafríos compartennumerosas propiedades, sin embargo, en contraste con el helio líquido denso, los gases cuánticos generalmente solo admiten excitaciones de fonones y no rotón. Esto se debe a que el carácter muy diluido de los gases hace que la interacción entre las partículas sea muy débil. En el helio, la interacción entrelas partículas son tan fuertes que hacen que las partículas tiendan a separarse con una distancia específica, dando lugar a una longitud de onda de excitación privilegiada, la longitud de onda del rotón.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Innsbruck . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :