En el mundo de la investigación, la difusión se entiende como un proceso en el que pequeñas partículas se dispersan uniformemente a través de un gas o líquido. Aunque estos medios están formados por partículas individuales, la difusión se percibe como un proceso continuo. Hasta ahora, los efectos deno se había observado una colisión individual entre partículas, la piedra angular de la difusión, ahora los físicos en Kaiserslautern y Erlangen han logrado observar los pasos fundamentales de difusión por átomos individuales en un gas y han proporcionado una descripción teórica de este mecanismo.
Hace casi doscientos años, el médico e investigador escocés Robert Brown observó que las partículas de polen tiemblan a medida que se mueven a través de un líquido. Las partículas diminutas, como las moléculas o los átomos, exhiben un comportamiento similar al dispersarse en gases y líquidos.En un gran número de colisiones aleatorias, las partículas muestran un patrón de movimientos en zigzag que hace que se mezclen varias sustancias. Los científicos se refieren a estos movimientos en zigzag como "movimiento browniano" y a la dispersión y mezcla de diversas sustancias como difusión.
"La difusión es un fenómeno clave en muchas áreas de la ciencia y constituye la base de numerosos procesos de transporte, por ejemplo, en células vivas o dispositivos de almacenamiento de energía", dice el profesor Artur Widera, quien realiza investigaciones sobre la física cuántica de átomos individuales y ultrafríosgases cuánticos en TU Kaiserslautern. "Por eso es importante comprender los procesos de difusión en casi todas las áreas de las ciencias de la vida, las ciencias naturales y el desarrollo tecnológico".
Se puede obtener una comprensión fácil y simplificada de la difusión haciendo caso omiso de las colisiones individuales entre partículas ". En este contexto, también hablamos de un medio continuo con, por ejemplo, una partícula más grande que se difunde en él. Esta simplificación se vuelve aún másprecisa a medida que la masa de las partículas en el medio se hace más pequeña y la frecuencia de colisiones aumenta ", dice el Dr. Michael Hohmann, investigador del grupo del profesor Widera y primer autor de este estudio. Un ejemplo cotidiano es la niebla, que también puedeser visto como un medio de este tipo, aunque en realidad consiste en pequeñas gotas de agua individuales.
Para sus experimentos, los físicos que trabajan en Widera modificaron las condiciones que caracterizan a un medio continuo: "En lugar de partículas grandes, como el polen, estudiamos la difusión de átomos individuales que tienen casi la misma masa que los átomos del gas. Además, utilizamos un gas diluido muy frío para reducir drásticamente la frecuencia de las colisiones ", explica Hohmann. Al hacerlo, los investigadores con sede en Kaiserslautern observaron, por primera vez, cómo los átomos de cesio se difunden a una temperatura cercana al cero absolutoen un gas compuesto por átomos de rubidio ". Estas son temperaturas que ningún refrigerador puede reproducir, por lo que utilizamos rayos láser para enfriar los átomos y mantenerlos en su lugar en un aparato de vacío. Esto disminuyó la difusión hasta tal punto que el efectode colisiones individuales ", explica el profesor Widera con respecto a la configuración experimental.
Para la descripción teórica del experimento, los investigadores en Kaiserslautern recibieron asistencia de su colega, el Profesor Eric Lutz, profesor de física teórica en la Universidad Friedrich-Alexander-Erlangen-Nürnberg FAU, quien los ayudó a desarrollar el modelo matemático"Con el nuevo modelo, ahora podemos describir los movimientos de los átomos con mayor precisión", dice el investigador basado en Erlangen. Juntos, demostraron que es suficiente alterar el coeficiente de fricción en el cálculo teórico del modelo continuo.Al hacerlo, también es posible describir casos que no involucran un medio continuo, como en el experimento anterior. Ejemplos de tales casos incluyen cuando los aerosoles - mezclas de partículas en suspensión - se dispersan en capas delgadas de aire en la atmósfera superior,en el espacio interestelar o en sistemas de vacío.
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Materiales proporcionado por Technische Universität Kaiserslautern . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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