Una nueva investigación realizada en la Universidad de Chicago ha confirmado una teoría de hace décadas que describe la dinámica de las transiciones de fase continua.
Los hallazgos, publicados en la edición del 4 de noviembre de ciencia , proporcione la primera demostración clara del mecanismo Kibble-Zurek para una transición de fase cuántica tanto en el espacio como en el tiempo. El profesor Cheng Chin y su equipo de físicos de UChicago observaron la transición en átomos de cesio gaseoso a temperaturas cercanas al cero absoluto.
En una transición de fase, la materia cambia su forma y propiedades como en las transiciones de sólido a líquido por ejemplo, hielo a agua o de líquido a gas por ejemplo, agua a vapor. Estas se conocen como fase de primer ordentransiciones
Una transición de fase continua, o transición de segundo orden, forma defectos, como paredes de dominio, cadenas cósmicas y texturas, donde parte de la materia está atrapada entre regiones en estados distintos. El mecanismo Kibble-Zurek predice cómo tales defectosy las estructuras complejas se formarán en el espacio y en el tiempo cuando un sistema físico pase por una transición de fase continua.Los ejemplos de transiciones de fase continuas incluyen la ruptura espontánea de simetría en el universo temprano y, en el caso del experimento del equipo de Chin, una transición de fase ferromagnéticaen átomos de cesio gaseoso.
"Estudiamos las transiciones de fase porque es una de las preguntas más fundamentales que nos desconciertan", dijo Chin, coautor del artículo. "¿Cuál es el origen de la compleja estructura del universo, cómo surgen las imperfecciones y¿Cómo los materiales idénticos desarrollan propiedades distintas con el tiempo? "
Los cosmólogos que estudian el origen, la evolución, la estructura y el futuro del universo también investigan las transiciones de fase en un laboratorio porque informa su comprensión de lo que ocurrió a lo largo de la historia del universo, en particular durante su formación.
"Lo que aprendemos al probar KZM en nuestro sistema no se trata del origen del universo", dijo Chin. "Más bien se trata de cómo se desarrolla la estructura compleja a través de una transición. Estas son dos preguntas diferentes pero relacionadas. Puede preguntar: "¿De dónde viene la nieve?" O "¿Por qué los copos de nieve tienen una hermosa estructura de cristal?" Nuestra investigación se centra más en la segunda pregunta ".
Los resultados del experimento se pueden aplicar a muchos sistemas, como cristales líquidos, helio superfluido o incluso membranas celulares, que pasan por transiciones de fase continua similares ". Todos ellos deberían compartir la misma simetría de escala espacio-tiempo quevimos aquí ", dijo Logan Clark, estudiante de doctorado en física de UChicago y primer autor del artículo.
En el experimento, se enfrió un vapor de átomos de cesio usando rayos láser, creando así un gas de cesio cuántico. Se usaron rayos láser adicionales para crear una red óptica que alineaba los átomos de gas en patrones. Se usaron ondas de sonido para sacudirla red óptica e impulsa los átomos a través de una transición de fase cuántica ferromagnética continua. Esto hizo que se dividieran en diferentes dominios con impulso positivo o negativo. Los investigadores encontraron que la estructura de los dominios resultantes era consistente con lo que el mecanismo Kibble-Zurekhabría predicho
"El gas cuántico que cruza la transición de fase en la red óptica en nuestro experimento es análogo a todo el universo temprano que cruza una transición de fase", dijo Clark. "Cualquier sistema que experimente una transición de fase continua debería compartir las propiedades que vimos en nuestro experimento"
Los patrones que se formaron dependieron de la rapidez con la que se incrementó la cantidad de temblores, dijo Lei Feng, estudiante de doctorado en física de UChicago y coautor del artículo. "Cuanto más rápido se intensificó el temblor, más pequeños serán los dominiosEl impulso de los átomos en diferentes regiones del fluido era visible a través del microscopio, por lo que pudimos ver qué tan grandes eran los dominios y contar la cantidad de defectos entre ellos ".
Erich Mueller, profesor de física en la Universidad de Cornell que está familiarizado con la investigación, describió los hallazgos como "una demostración notable de la universalidad de la física".
"La misma teoría que se usa para explicar la formación de estructura en el universo primitivo también explica la formación de estructura en los gases fríos" utilizada en sus experimentos, dijo Mueller, que no participó en el estudio.
El trabajo contribuye a la comprensión fundamental de la física, dijo Chin. "Mientras los cosmólogos aún están buscando evidencia del mecanismo Kibble-Zurek, nuestro equipo realmente lo vio en nuestro laboratorio en muestras de átomos a temperaturas extremadamente bajas".
"Estamos en el camino correcto para investigar otros fenómenos cosmológicos intrigantes, no solo con un telescopio, sino también con un microscopio", concluyó.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Chicago . Original escrito por Greg Borzo. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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