Los fluidos cuánticos condensados de Bose no son eternos.
Dichos estados incluyen superfluidos y condensados de Bose-Einstein BEC.
Existe una hermosa pureza en estados tan exóticos, en los que cada partícula se encuentra en el mismo estado cuántico, lo que permite ver los efectos cuánticos a un nivel macroscópico visible en un microscopio simple.
Sin embargo, en realidad, no todas las partículas permanecen en el condensado incluso en el cero absoluto, donde, por lo general, se espera que las partículas se detengan. En cambio, las fluctuaciones cuánticas inducidas por la interacción hacen que las partículas colisionen, expulsando inevitablemente algunas partículas del condensado, unfenómeno llamado "agotamiento cuántico"
Este efecto es increíblemente fuerte en el superfluido helio-4, el primer superfluido conocido, de modo que el 90% de las partículas son expulsadas del condensado. Sin embargo, en gases atómicos ultrafríos extremadamente diluidos, que forman los condensados típicos de Bose-EinsteinBEC lo sabemos, el efecto es mucho más débil, casi insignificante.
Aunque el agotamiento cuántico ha sido bien descrito teóricamente por la teoría de 70 años desarrollada por Nikolay Bogoliubov, históricamente se sabe que es difícil de medir en un BEC atómico por varias razones.
En lugar de partículas atómicas, los físicos de la Universidad Nacional de Australia ANU usan excitón-polaritones, partículas híbridas con carácter de luz y de materia, lo que permite la detección de momento sin ninguna distorsión.
El equipo de ANU, dirigido por la profesora Elena Ostrovskaya, detectó con éxito las partículas expulsadas bloqueando la luz, utilizando un filo de afeitar, emitido por el condensado increíblemente brillante. "Es como recrear un eclipse solar", dice el autor principal del estudio, el Dr.Maciej Pieczarka. "La luna bloquea el sol brillante el condensado y expone su gloriosa corona las excitaciones".
El estudio representa la primera observación directa del agotamiento cuántico en un condensado de Bose-Einstein no equilibrado BEC.
LOS CONDENSADOS 'LIGEROS' NO SE COMPORTAN COMO ESPERAMOS. DE HECHO, NO HAY EXPLICACIÓN PARA ESTE COMPORTAMIENTO
Un resultado sorprendente del estudio ofrece un nuevo desafío para la física de los fluidos cuánticos sin equilibrio. Los condensados de excitón-polaritón pueden ajustarse de más material excitónico a más similar a la luz fotónico, lo que permite la comparación con las teorías deequilibrio condensado atómico materia y de fluidos cuánticos de luz no equilibrados.
Los polaritones de excitón son una partícula híbrida compuesta de un fotón luz y un excitón un par de electrones-agujero unido
Los investigadores descubrieron que cuando los condensados eran 'similares a la materia', se comportaban exactamente como se esperaba para un BEC en equilibrio térmico descrito por la teoría de Bogoliubov de larga data.
Sin embargo, los condensados que eran "ligeros" se desviaron del comportamiento esperado de Bogoliubov, de una manera no descrita por ninguna teoría existente
En resumen, incluso si estos condensados son disipativos, pueden comportarse como condensados atómicos en equilibrio cuando son similares a la materia o como un fluido cuántico no equilibrado cuando son similares a la luz.
EXCITACIÓN NEGATIVA OBSERVADA
La investigación resuelve un problema de larga data en los condensados de excitón-polaritón: el problema de la visibilidad de las ramas de excitación.
El agotamiento cuántico conduce a la visibilidad de las ramas 'fantasmas' en el espectro de excitaciones. Anteriormente, solo se habían observado las excitaciones positivas o normales en un BEC de estado estable creado espontáneamente, mientras que las excitaciones negativas o fantasmas predichas por Bogoliubov eludíanobservaciones en este régimen.
Ahora, el equipo de ANU utilizó los condensados de alta densidad dominados por la interacción, en el régimen de estado estacionario, para aumentar la señal muy débil de las partículas fantasmas. Este estudio demuestra la primera observación experimental clara de esta rama fantasma de excitaciones elementalesen un condensado exciton-polariton de estado estacionario creado espontáneamente.
A diferencia de su contraparte normal, las partículas fantasmas solo pueden crearse mediante fluctuaciones cuánticas y su detección en este estudio es la pistola humeante del agotamiento cuántico de los condensados de excitón-polaritón.
"Lo irónico de estas partículas expulsadas es que, aunque estrictamente no son parte del condensado, en realidad le dicen casi todo sobre el condensado agotado", dice el coautor, el Dr. Eliezer Estrecho.
El equipo liderado por ANU usó la observación de la rama fantasma para medir con precisión la fuerza de las interacciones de los excitones-polaritones, un parámetro clave que tenía una incertidumbre controvertidamente grande basada en las mediciones de otros grupos. El resultado está totalmente de acuerdo con anteriorestrabajo del equipo de ANU, donde el condensado de alta densidad dominado por la interacción se combinó por casualidad con el efecto de quemar agujeros. Un excelente acuerdo con la teoría finalmente ha resuelto la controversia.
SUPERFLUIDOS Y CONDENSADOS CUANTIMOS
Los superfluidos, como el Helio-4, están estrechamente relacionados con los condensados de Bose-Einstein BEC de los bosones que interactúan.
'Agotamiento cuántico' describe el proceso por el cual, incluso en Absolute Zero, algunas de las partículas que ocupan el estado cuántico macroscópico se excitan en estados de momento más altos a través de interacciones entre partículas y fluctuaciones cuánticas.
Esencialmente, tales partículas son 'expulsadas' del condensado.
El agotamiento cuántico es particularmente difícil de medir en sistemas sin equilibrio, como los condensados excitón-polaritón fotones acoplados a pares de electrones en un semiconductor ya que existen otros procesos que pueden producir el mismo efecto de expulsión
En el nuevo estudio, se observa el agotamiento cuántico de un condensado de excitón-polaritón de alta densidad atrapado ópticamente al detectar directamente la firma reveladora del proceso de las partículas fantasmas que ocupan la rama negativa de las excitaciones elementales.
"Los resultados requieren una comprensión más profunda de la relación entre BEC de equilibrio y no equilibrio", dice la profesora Elena Ostrovskaya.
El equipo, que incluye colaboradores de teoría dentro del nodo de FLEET de la Universidad de Monash, ahora está extendiendo su trabajo para dilucidar propiedades subyacentes más profundas, como las fases y las relaciones universales, de este híbrido de materia condensada de materia ligera.
La financiación fue proporcionada por el Consejo de Investigación Australiano programa de Centros de Excelencia y los autores también agradecen a Ryo Hanai Universidad de Osaka por sus útiles discusiones.
FÍSICA NO EQUILIBRADA Y SUPERFLUIDEZ EN LA FLOTA
El grupo del profesor Ostrovskaya en ANU y el grupo de la parroquia A / Prof en la Universidad de Monash buscan la comprensión y el control de los sistemas cuánticos sin equilibrio.
La física sin equilibrio, el estudio de sistemas 'forzados' fuera de equilibrio en un estado temporal, es un campo de física relativamente nuevo y emocionante, y un cambio de paradigma en ingeniería de materiales y física fundamental.
En FLEET, los investigadores persiguen mecanismos de no equilibrio que rigen el comportamiento de los condensados y superfluidos de excitón-polaritón en el Tema de investigación 2 de FLEET dirigido por el profesor Ostrovskaya, con el objetivo de lograr rutas de resistencia cero para la corriente eléctrica, como partede la misión del Centro para desarrollar una nueva generación de electrónica de energía ultra baja.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Centro de excelencia ARC en futuras tecnologías electrónicas de baja energía . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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