Cuando la leche fría se vierte en una taza de té caliente, se alcanza un equilibrio de temperatura muy rápidamente. Las gotitas de leche y las partículas de té interactúan, y después de unos momentos todos tienen la misma energía promedio. Este proceso se llama termalización.Desempeña un papel crucial en el enfriamiento de gases a temperaturas ultrabajas. Pero sorprendentemente, incluso los gases para los que se suprime este efecto pueden enfriarse. Los científicos de TU Wien Viena observaron más de cerca este fenómeno y encontraron una cantidad especial.tipo mecánico de enfriamiento en el trabajo.
expulsando partículas calientes
"Las partículas que forman un líquido o un gas tienen energías diferentes", dice el profesor Jörg Schmiedmayer TU Wien. La distribución de estas energías depende de la temperatura. Cuanto más caliente es el gas, mayor es el número de partículas con alto contenidoenergías. Por lo tanto, se puede usar un simple truco para enfriar gases fríos: con la ayuda de campos electromagnéticos, las partículas con la energía más alta se eliminan del gas. Las restantes interactúan, redistribuyen la energía, y el gas se relaja nuevamente parauna distribución de energía típica, pero a una temperatura ligeramente más baja que antes.
"Es un poco como soplar el té para enfriarlo", dice Bernhard Rauer, quien dirigió los experimentos en el grupo de investigación de Schmiedmayer. "Las partículas con la energía más alta logran dejar el líquido y son expulsadas.el té restante alcanza rápidamente un estado de equilibrio a una temperatura ligeramente inferior "
Sin embargo, hay casos en los que no es posible alcanzar tal equilibrio térmico. Una cuna de Newton, por ejemplo, es un dispositivo que tiene varias esferas colgando de cuerdas, dispuestas en línea recta. Cuando una de las esferas se pone en movimientoy golpea a los demás, la última esfera en la línea es expulsada, mientras que los otros no se mueven. "En este caso, las esferas solo pueden intercambiar energías entre sí. Nunca habrá una distribución térmica de muchas energías diferentes", diceBernhard Rauer.
Rauer estudió un sistema similar: un gas unidimensional de átomos, mantenido en línea recta por una trampa electromagnética. Los átomos pueden simplemente intercambiar sus energías, al igual que las esferas en la cuna de Newton. Por lo tanto, uno esperaría el mecanismo de enfriamiento deeliminar las partículas más energéticas para que fallen en este caso. Cuando las partículas más rápidas se hayan ido, ninguna otra partícula en el gas volverá a tener la misma velocidad. Según este modelo simple, una energía que falta desaparecerá para siempre.
Sorprendentemente, esto no es cierto para el gas unidimensional. Se puede enfriar mediante la eliminación continua de partículas, a energías mucho más bajas de lo que cabría esperar, de acuerdo con la imagen simplificada de partículas rápidas y lentas.
¡Es una ola!
La razón de este efecto es que las partículas solo pueden entenderse cuánticamente mecánicamente. "No debemos pensar en partículas individuales que colisionen como las esferas en la cuna de Newton. En cambio, tenemos que considerar las excitaciones colectivas, que se distribuyen a través de muchas partículas:"Como una onda de agua, que es transportada por muchas moléculas de agua al mismo tiempo", dice Jörg Schmiedmayer. Estas ondas cuánticas almacenan la energía del sistema, y mientras más partículas se eliminan del gas, menos intensas se vuelven estas ondas.Este es un mecanismo de enfriamiento mecánico cuántico que debería ser imposible de acuerdo con las simples leyes clásicas de la naturaleza.
"Para nosotros es crucial que el gas se comporte más y más mecánicamente cuánticamente a bajas temperaturas", dice Jörg Schmiedmayer. "Eso es emocionante, porque eso es precisamente lo que nos interesa: a menudo la física cuántica se estudia en sistemas simples,que consiste solo en unas pocas partículas, como un átomo con unos pocos electrones. Tenemos un sistema que exhibe indudablemente un comportamiento cuántico, y está hecho de miles de átomos ".
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Materiales proporcionado por Universidad Tecnológica de Viena, TU Viena . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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