Si embotella un gas e intenta obtener imágenes de sus átomos usando los microscopios más potentes de la actualidad, verá poco más que un borroso sombreado. Los átomos se mueven a la velocidad de la luz y son difíciles de precisar a temperatura ambiente.
Sin embargo, si estos átomos se sumergen a temperaturas extremadamente frías, disminuyen su velocidad y los científicos pueden comenzar a estudiar cómo pueden formar estados exóticos de la materia, como superfluidos, superconductores e imanes cuánticos.
Los físicos del MIT ahora han enfriado un gas de átomos de potasio en varias nanocelvinas, solo un cabello por encima del cero absoluto, y atrapado los átomos dentro de una lámina bidimensional de una red óptica creada por láser entrecruzado. Usando una alta resoluciónmicroscopio, los investigadores tomaron imágenes de los átomos enfriados que residen en la red.
Al observar las correlaciones entre las posiciones de los átomos en cientos de tales imágenes, el equipo observó que los átomos individuales interactúan de maneras bastante peculiares, en función de su posición en la red. Algunos átomos exhibieron un comportamiento "antisocial" y se mantuvieron alejados entre sí., mientras que algunos se agruparon con orientaciones magnéticas alternas. Otros parecían superponerse entre sí, creando pares de átomos al lado de espacios vacíos o agujeros.
El equipo cree que estas correlaciones espaciales pueden arrojar luz sobre los orígenes del comportamiento superconductor. Los superconductores son materiales notables en los que los electrones se emparejan y viajan sin fricción, lo que significa que no se pierde energía en el viaje. Si los superconductores pueden diseñarse para existira temperatura ambiente, podrían iniciar una era completamente nueva e increíblemente eficiente para cualquier cosa que dependa de la energía eléctrica.
Martin Zwierlein, profesor de física e investigador principal en el Centro NSF para Átomos Ultrafríos del MIT y en su Laboratorio de Investigación de Electrónica, dice que los resultados y la configuración experimental de su equipo pueden ayudar a los científicos a identificar las condiciones ideales para inducir la superconductividad.
"Aprendiendo de este modelo atómico, podemos entender lo que realmente está sucediendo en estos superconductores, y lo que se debe hacer para hacer superconductores de mayor temperatura, acercándose con suerte a la temperatura ambiente", dice Zwierlein.
Los resultados de Zwierlein y sus colegas aparecen en la edición del 16 de septiembre de la revista ciencia . Los coautores incluyen experimentadores del MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, el Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT y dos grupos teóricos de la Universidad Estatal de San José, la Universidad Estatal de Ohio, la Universidad de Río de Janeiro y la Universidad Penn State.
"Átomos como sustitutos de electrones"
Hoy, es imposible modelar el comportamiento de los superconductores de alta temperatura, incluso utilizando las computadoras más potentes del mundo, ya que las interacciones entre los electrones son muy fuertes. Zwierlein y su equipo buscaron en su lugar diseñar un "simulador cuántico"usando átomos en un gas como sustitutos de electrones en un sólido superconductor.
El grupo basó su lógica en varias líneas históricas de razonamiento: Primero, en 1925, el físico austriaco Wolfgang Pauli formuló lo que ahora se llama el principio de exclusión de Pauli, que establece que no hay dos electrones que puedan ocupar el mismo estado cuántico, como el espín,o posición, al mismo tiempo. Pauli también postuló que los electrones mantienen una cierta esfera de espacio personal, conocida como el "agujero de Pauli".
Su teoría resultó explicar la tabla periódica de elementos: las diferentes configuraciones de electrones dan lugar a elementos específicos, lo que hace que los átomos de carbono, por ejemplo, sean distintos de los átomos de hidrógeno.
El físico italiano Enrico Fermi pronto se dio cuenta de que este mismo principio podría aplicarse no solo a los electrones, sino también a los átomos en un gas: la medida en que los átomos quieren mantenerse a sí mismos puede definir las propiedades, como la compresibilidad, de ungas.
"También se dio cuenta de que estos gases a bajas temperaturas se comportarían de manera peculiar", dice Zwierlein.
El físico británico John Hubbard incorporó el principio de Pauli en una teoría que ahora se conoce como el modelo Fermi-Hubbard, que es el modelo más simple de átomos que interactúan, saltando a través de una red. Hoy en día, se cree que el modelo explica la base de la superconductividadY si bien los teóricos han podido usar el modelo para calcular el comportamiento de los electrones superconductores, solo han podido hacerlo en situaciones en las que los electrones interactúan débilmente entre sí.
"Esa es una gran razón por la que no entendemos los superconductores de alta temperatura, donde los electrones están interactuando muy fuertemente", dice Zwierlein. "No hay una computadora clásica en el mundo que pueda calcular lo que sucederá a temperaturas muy bajas para interactuar".[electrones]. Sus correlaciones espaciales tampoco se han observado nunca in situ, porque nadie tiene un microscopio para observar cada electrón ".
tallando espacio personal
El equipo de Zwierlein buscó diseñar un experimento para realizar el modelo de Fermi-Hubbard con átomos, con la esperanza de ver el comportamiento de los átomos ultrafríos análogos al de los electrones en los superconductores de alta temperatura.
El grupo había diseñado previamente un protocolo experimental para enfriar primero un gas de átomos a casi cero absoluto, luego atraparlos en un plano bidimensional de una red generada por láser. A temperaturas tan frías, los átomos se desaceleraron lo suficiente para los investigadorespara capturarlos en imágenes por primera vez, ya que interactuaron a través de la red.
En los bordes de la red, donde el gas estaba más diluido, los investigadores observaron átomos formando agujeros Pauli, manteniendo una cierta cantidad de espacio personal dentro de la red.
"Se hacen un pequeño espacio para ellos donde es muy poco probable que encuentren un segundo tipo dentro de ese espacio", dice Zwierlein.
Donde el gas estaba más comprimido, el equipo observó algo inesperado: los átomos eran más propensos a tener vecinos cercanos, y de hecho estaban muy agrupados. Estos átomos exhibían orientaciones magnéticas alternas.
"Estas son hermosas correlaciones antiferromagnéticas, con un patrón de tablero de ajedrez: arriba, abajo, arriba, abajo", describe Zwierlein.
Al mismo tiempo, se descubrió que estos átomos a menudo saltan uno encima del otro, creando un par de átomos al lado de un cuadrado enrejado vacío. Esto, dice Zwierlein, recuerda un mecanismo propuesto para la superconductividad a alta temperatura, enqué pares de electrones que resuenan entre los sitios reticulares adyacentes pueden atravesar el material sin fricción si existe la cantidad justa de espacio vacío para dejarlos pasar.
En última instancia, dice que los experimentos del equipo en gases pueden ayudar a los científicos a identificar las condiciones ideales para que surja la superconductividad en los sólidos.
Zwierlein explica: "Para nosotros, estos efectos ocurren en nanokelvin porque estamos trabajando con gases atómicos diluidos. Si tiene una materia densa, estos mismos efectos pueden ocurrir a temperatura ambiente".
Actualmente, el equipo ha sido capaz de alcanzar temperaturas ultrafrías en gases que son equivalentes a cientos de grados Kelvin en sólidos. Para inducir la superconductividad, Zwierlein dice que el grupo tendrá que enfriar sus gases en otro factor de aproximadamente cinco.
"Todavía no hemos jugado todos nuestros trucos, por lo que creemos que podemos enfriarnos", dice.
Esta investigación fue apoyada en parte por la National Science Foundation, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, la Oficina de Investigación del Ejército y la Fundación David y Lucile Packard.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :