En una combinación de experimentos y teoría, se entendió por primera vez la difusión de átomos individuales en sistemas periódicos. La interacción de átomos individuales con luz a temperaturas ultrabajas cercanas al punto de temperatura cero absoluto proporciona nuevas ideas sobre la ergodicidad, el supuesto básicode termodinámica. Los físicos cuánticos de la Universidad de Kaiserslautern han publicado sus resultados junto con colegas en la revista científica Física de la naturaleza .
La difusión es un fenómeno físico universal, que describe el movimiento de las partículas en su entorno particular, ya sea sólido, líquido o gaseoso. La primera observación de Robert Brown y la explicación posterior de Albert Einstein ya tienen más de cien años: Robert Brownobservó el movimiento aleatorio e irregular del polen en un líquido. Albert Einstein y su colega Marian Smoluchowski interpretaron este "movimiento browniano" correctamente como resultado de colisiones aleatorias de moléculas del líquido con el polen. La difusión en sistemas complejos va un pasoAdemás, puede tener características muy diversas: movimiento tumoral en organismos vivos, transporte de ADN dentro de las células, flujo de iones en las baterías, movimiento de átomos en las superficies: todos estos son procesos de difusión en sistemas complejos. Descubrir los mecanismos subyacentes es de gran interés.podría llegar lejos a las aplicaciones diarias algún día Estudios físicos de átomos ultrafríos, realizados en la Universidad de Kaiserslautern, ahora proporciona una comprensión de la difusión en estructuras periódicas, relevante para varios sistemas complejos.
Los físicos de la Universidad de Kaiserslautern junto con científicos de las universidades de Erlangen-Nuremberg y Kyoto en Japón han dado un paso importante hacia la comprensión fundamental de la difusión compleja y la interpretación de sus datos experimentales. Para el estudio, publicado en la revista Física de la naturaleza , el equipo de Kaiserslautern alrededor del Profesor Widera Departamento de Física y Centro de Investigación del Estado OPTIMAS desarrolló un nuevo modelo de sistema: un solo átomo es enfriado por láser cerca de la temperatura cero absoluta y atrapado por la luz dentro de un vacío casi perfecto. El átomoluego se transfiere a un entorno de un campo de luz en el que la absorción de luz y la emisión de luz de los átomos actúan como colisiones con otras partículas. En este entorno, la difusión puede establecerse fácilmente y el movimiento del átomo puede ser rastreado por uncámara.
Paralelamente, los físicos teóricos de Erlangen-Nuremberg y Kyoto desarrollaron un modelo para la descripción de la dinámica del sistema. Un aspecto central aquí fue comprender los procesos en términos del fenómeno físico de la ergodicidad. Debido al excelente acuerdo entreEn el experimento y la teoría, los procesos de difusión ahora pueden entenderse más allá del movimiento browniano. Estos resultados pueden tener un impacto potencial en la comprensión de varios sistemas complejos en medicina, biología, física e ingeniería en el futuro.
Fundamentos de difusión
El movimiento de las células individuales en el cuerpo o el transporte de portadores de carga en los sistemas de almacenamiento de energía solo se puede entender en el contexto del entorno particular. Las partículas dentro del entorno encuentran colisiones permanentes con una celda o un portador, lo que influye en sumovimiento. Estos procesos pueden describirse en muchos casos a través del movimiento browniano por la teoría de Einstein. Sin embargo, a veces las observaciones no pueden describirse dentro de este modelo, y en algunos casos esta dinámica no browniana no es obvia a primera vista.Las tres universidades han logrado mostrar, tanto teórica como experimentalmente, cómo se puede caracterizar la difusión en ciertos sistemas complejos.
La ergodicidad es una clave para comprender las difusiones complejas
Un aspecto central del estudio fue investigar el sistema atómico en escalas de tiempo que son relevantes para el establecimiento de la ergodicidad. La ergodicidad es un supuesto básico de la termodinámica y un factor importante para la descripción de los procesos de difusión. En palabras simples, la ergodicidadLa hipótesis establece que en un conjunto de partículas, el movimiento de una sola partícula es representativo de todo el conjunto. Esta suposición generalmente es válida para todos los fenómenos observados en nuestra vida cotidiana. Estrictamente visto, esto se aplica, sin embargo, para la mayoría de los sistemas solo enescalas de tiempo largas. Los científicos ahora podrían demostrar en su estudio que incluso los procesos de difusión aparentemente "normales" en ciertos casos pueden violar la ergodicidad en escalas de tiempo sorprendentemente largas. Estos hallazgos tienen implicaciones interesantes para comprender la difusión en sistemas complejos y pueden ayudar, por ejemplo, para reevaluar e interpretar observaciones y mediciones en sistemas biológicos.
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Materiales proporcionado por Technische Universität Kaiserslautern . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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