Científicos daneses descubren una nueva fase supersólida en condensados dipolares de Bose-Einstein
Las sustancias generalmente existen en tres formas diferentes: sólida, líquida o gaseosa. Sin embargo, investigaciones físicas anteriores han revelado otros estados extraños de la materia, uno de los cuales es la superfija. En un estado supersólido, las partículas se organizan en cristales rígidos. Los supersólidos tienen muchas propiedades mágicas, como que todas las moléculas actúan como la misma molécula, cero entropía, cero viscosidad, sin fricción y la capacidad de fluir como un líquido manteniendo su estructura reticular. etcétera. Si bien esto puede parecer contradictorio, las leyes de la mecánica cuántica permiten este estado.
Un estudio reciente realizado por investigadores de la Universidad de Aarhus en Dinamarca ha revelado la naturaleza supersólida de los condensados dipolares de Bose-Einstein (BEC), que combinan átomos individuales enfriados hasta casi el cero absoluto y unidos en una única entidad de mecánica cuántica. . La cristalización se produjo en un punto crítico y surgió una nueva fase supersólida, caracterizada por un patrón regular en forma de panal con una superfluidez casi perfecta.
El investigador Thomas Pohl dijo: "Hace más de 50 años se especulaba con los supersólidos y hasta hace poco era difícil observarlos. Los nuevos supersólidos se crean a partir de átomos muy diluidos. Los experimentos con gases muestran que estos átomos son Enfriados y atrapados por láseres a temperaturas cercanas al cero absoluto, en condiciones tan extremas, los átomos pueden formar colectivamente el llamado condensado de Bose-Einstein, que es un estado cuántico que, sin embargo, representa un superfluido ideal sin fricción. En el estado supersólido, naturalmente no se esperaría que un líquido tan diluido y de flujo libre pudiera cristalizar. Queríamos saber si los átomos tenían la forma correcta. A principios de la década de 2000, los investigadores propusieron que se formaran condensados dipolares de Bose Einstein. Se podrían hacer que las partículas, como pequeños imanes, interactúen entre sí de una manera muy pequeña, se atraigan y se repelan entre sí a largas distancias. En su estudio, Poole y sus colegas Yongchang Zhang y Fabian Maucher observaron que las fluctuaciones cuánticas en tales condensados dipolares pueden conducir a la polarización en el punto crítico (es decir, el momento en que las dos fases de la materia se vuelven indistinguibles) de la cristalización.
Esto significa que el condensado dipolar podría ser en realidad un supersólido, que es lo que esperaban los investigadores cuando comenzaron su estudio. Sin embargo, sus cálculos arrojaron más sorpresas, particularmente relacionadas con la forma en que cristaliza el fluido cuántico.
Zhang Yongchang dijo: "Cuando ponemos cubitos de hielo en un vaso de agua, tarda algún tiempo en derretirse por completo. En otras palabras, el agua puede existir tanto en forma líquida como sólida durante el proceso de fusión o congelación. , este comportamiento es típico de muchas otras sustancias. Sorprendentemente, encontramos que los supersólidos se congelan de una manera especial, donde los átomos son completamente líquidos o completamente sólidos, y la transición fluida y cristalina entre las dos fases existe. se volvió casi lo mismo ".
Los estudios analíticos realizados por Poole, Yongchang Zhang y Mo Che revelaron un nuevo tipo de supersólido que era completamente diferente de lo que habían esperado originalmente. En lugar de átomos dispuestos en una típica red cristalina, se descubrió que los fluidos cuánticos dipolares forman una estructura de tubos en forma de panal.
En esta estructura, los átomos dipolo pueden moverse libremente a lo largo de las crestas del "panal" superfluido. Los investigadores han descubierto una forma fascinante de materia en la que las partículas pueden fluir a través de una red regular mantenida unida exclusivamente por el propio líquido, con una viscosidad casi nula.
Mocher dijo: "Nuestro estudio teórico se basa en el análisis y la simulación numérica de funciones de onda de la mecánica cuántica macroscópicas, que describen el estado de los átomos dipolares en los condensados de Bose-Einstein. Como antes. Un aspecto particularmente importante, como Las conclusiones del estudio destacan la inclusión de correlaciones mecánicas cuánticas y fluctuaciones cuánticas. De hecho, resulta que el sólido en forma de panal y su inusual comportamiento de congelación se ven facilitados por tales fluctuaciones cuánticas."
La investigación realizada por Poole, Yongchang Zhang y Moche introducen un nuevo tipo de estado supersólido que, como muestran sus hallazgos, se debe a los efectos de las fluctuaciones cuánticas en los condensados dipolares. En el futuro, planean investigar más a fondo estos hallazgos y realizar más estudios sobre los condensados dipolares de Bose-Einstein. Mientras tanto, otros grupos de investigación también están explorando el comportamiento de los fluidos cuánticos dipolares, tanto de forma teórica como experimental.
Zhang Yongchang dijo: "Recientemente, tres grupos experimentales de la Universidad de Stuttgart, la Universidad de Florencia y la Universidad de Innsbruck han observado de forma independiente la formación de gotas cuánticas supersólidas a escala micrométrica dispuestas regularmente. Estos experimentos Los resultados ofrecen una perspectiva prometedora y aclaran las condiciones en las que se pueden observar los átomos dipolares. Por supuesto, los fluidos cuánticos dipolares se han convertido en una nueva e interesante plataforma supersólida cuyo comportamiento seguirá desafiando nuestra comprensión. en Cartas de revisión física.