Nuevos experimentos que utilizan gases unidimensionales atrapados átomos enfriados a las temperaturas más frías del universo y confinados de modo que solo pueden moverse en línea encajan con las predicciones de la teoría recientemente desarrollada de la "hidrodinámica generalizada".La mecánica es necesaria para describir las nuevas propiedades de estos gases. Lograr una mejor comprensión de cómo estos sistemas con muchas partículas evolucionan en el tiempo es una frontera de la física cuántica. El resultado podría simplificar enormemente el estudio de los sistemas cuánticos que han sido excitados fuera de equilibrio. Además de su importancia fundamental, eventualmente podría informar el desarrollo de tecnologías cuánticas, que incluyen computadoras y simuladores cuánticos, comunicación cuántica y sensores cuánticos. El 2 de septiembre de 2021 aparece un artículo que describe los experimentos de un equipo dirigido por físicos de Penn State.en la revista ciencia .
Incluso dentro de la física clásica, donde se pueden ignorar las complejidades adicionales de la mecánica cuántica, es imposible simular el movimiento de todos los átomos en un fluido en movimiento. Para aproximar estos sistemas de partículas, los físicos usan descripciones hidrodinámicas.
"La idea básica detrás de la hidrodinámica es olvidarse de los átomos y considerar el fluido como un continuo", dijo Marcos Rigol, profesor de física en Penn State y uno de los líderes del equipo de investigación. "Para simular el fluido, unotermina escribiendo ecuaciones acopladas que resultan de imponer algunas restricciones, como la conservación de la masa y la energía. Estos son los mismos tipos de ecuaciones que se resuelven, por ejemplo, para simular cómo fluye el aire cuando se abren las ventanas para mejorar la ventilación de una habitación."
La materia se vuelve más complicada si se involucra la mecánica cuántica, como es el caso cuando se quiere simular sistemas cuánticos de muchos cuerpos que están fuera de equilibrio.
"Muchos sistemas cuánticos del cuerpo, que están compuestos por muchas partículas que interactúan, como los átomos, están en el corazón de la física atómica, nuclear y de partículas", dijo David Weiss, profesor distinguido de física en Penn State y uno de loslos líderes del equipo de investigación. "Solía ser que, excepto en límites extremos, no se podía hacer un cálculo para describir sistemas cuánticos de muchos cuerpos fuera de equilibrio. Eso cambió recientemente".
El cambio fue motivado por el desarrollo de un marco teórico conocido como hidrodinámica generalizada.
"El problema con esos sistemas cuánticos de muchos cuerpos en una dimensión es que tienen tantas restricciones en su movimiento que no se pueden usar descripciones hidrodinámicas regulares", dijo Rigol. "La hidrodinámica generalizada se desarrolló para realizar un seguimiento de todas esas restricciones."
Hasta ahora, la hidrodinámica generalizada solo se había probado anteriormente de forma experimental en condiciones en las que la fuerza de las interacciones entre las partículas era débil.
"Nos propusimos probar la teoría más a fondo, observando la dinámica de gases unidimensionales con una amplia gama de fuerzas de interacción", dijo Weiss. "Los experimentos están extremadamente bien controlados, por lo que los resultados pueden compararse con precisión con lospredicciones de esta teoría.
El equipo de investigación utiliza gases unidimensionales de átomos que interactúan que inicialmente están confinados en una trampa muy poco profunda en equilibrio. Luego, muy repentinamente aumentan la profundidad de la trampa en 100 veces, lo que obliga a las partículas a colapsar en el centro de la trampa., lo que hace que sus propiedades colectivas cambien. Durante el colapso, el equipo mide con precisión sus propiedades, que luego pueden comparar con las predicciones de la hidrodinámica generalizada.
"Nuestras mediciones coincidieron con la predicción de la teoría a través de docenas de oscilaciones de trampa", dijo Weiss. Actualmente no hay otras formas de estudiar sistemas cuánticos fuera de equilibrio durante largos períodos de tiempo con una precisión razonable, especialmente con muchosde partículas. La hidrodinámica generalizada nos permite hacer esto para algunos sistemas como el que probamos, pero aún debe determinarse su aplicación general ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Penn State . Original escrito por Sam Sholtis. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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