Los campos de béisbol con curvas tienen cosas sorprendentes en común con las partículas cuánticas descritas en un nuevo estudio de física, aunque estas últimas vuelan mucho más extrañamente.
De hecho, las partículas emparejadas ultrafrías llamadas fermiones deben comportarse aún más raro de lo que los físicos pensaban anteriormente, según físicos teóricos del Instituto de Tecnología de Georgia, que estudiaron matemáticamente sus patrones de vuelo. Ya, las partículas cuánticas voladoras eran famosas por su rareza.
Para entender por qué, comience con similitudes con una pelota de béisbol y luego agregue diferencias significativas.
Un lanzador imparte giro, impulso y energía a una pelota de béisbol cuando lanza una bola curva, un cambio o un deslizador. Los divertidos vuelos de Fermions también están tallados por giros, momentos y energías, pero también por poderosas excentricidades cuánticas comoentrelazamiento, que Albert Einstein una vez llamó "acción espeluznante a distancia" entre partículas cuánticas.
En el nuevo estudio, los investigadores incluso predijeron que las partículas pueden actuar como diferentes bolas cuánticas llamadas bosones para imitar la forma en que vuelan los fotones, o partículas de luz. A continuación se encuentra una explicación simplificada de estas partículas emparejadas ultrafrías y sus vuelos extraños..
modelado de materia ligera
Todas esas influencias se combinan para dar a los fermiones un repertorio de trayectoria mucho más extraño que el de cualquier lanzador de béisbol maestro, y el nuevo estudio lo traza y abre nuevas formas de observarlo experimentalmente. El equipo de Georgia Tech adoptó el enfoque poco convencional de agregar óptica cuántica- o ideas similares a la luz - para sus cálculos predictivos de estas manchas de materia y llegaron a resultados reveladores y reveladores.
"El comportamiento de las partículas que predijimos es simplemente esquizofrénico", dijo Uzi Landman, profesor de Regentes e Instituto y presidente de FE Callaway en la Facultad de Física de Georgia Tech.
Los detalles matemáticos y teóricos se pueden encontrar en el estudio en la revista Revisión física A que Landman, primer autor Benedikt Brandt, quien es un asistente de investigación graduado, y el científico senior Constantine Yannouleas, publicó el 4 de mayo de 2018. Su investigación fue financiada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
Fermiones voladores explicados
El rastreo de bolas curvas cuánticas es contraintuitivo por naturaleza con conceptos como fermiones, bosones, giros, enredos espeluznantes y dualidad de onda de partículas. Entonces, vamos paso a paso para comprenderlos y las ideas del estudio.
El juego de pelota gira en torno a pares de fermiones. Los fermiones pueden ser partículas subatómicas o átomos completos. En este caso, los físicos modelaron utilizando átomos.
El término fermión se refiere a las propiedades de estadística cuántica que la partícula tiene en oposición a las propiedades de su partícula equivalente llamada bosón, en particular el giro de la partícula, que se llama medio entero para fermiones y entero completo para bosones.los giros no son exactamente como los de una pelota. Para más información, ver: Fermions and Bosons for Dummies.
"Los fotones y los bosones de Higgs son ejemplos de bosones", dijo Landman. "Los bosones son gregarios: dos o más bosones pueden compartir exactamente el mismo espacio. Esto permite que muchos de ellos se superpongan entre sí en el mismo punto pequeño".
"Los fermiones, por otro lado, son distantes. Ellos reclaman su propio espacio y no lo comparten con otras partículas. Los fermiones se pueden apilar unos sobre otros pero no ocupan el mismo espacio".
Los electrones, protones, neutrones y algunos átomos son ejemplos comunes de fermiones.
pelotas de béisbol con pinzas láser
El estudio teórico prevé dos átomos fermiónicos que comienzan cuidadosamente sostenidos uno al lado del otro por dos pares de "pinzas" hechas de rayos láser de intersección, como se hace en los experimentos de física aplicables. En la configuración teórica del estudio, láseres y campos magnéticos especialestambién se usaría para reducir la velocidad de los fermiones hasta casi detenerse, haciéndolos "ultrafríos" a 0.000000001 grados Kelvin, o -273.15 grados Celsius -459.67 grados Fahrenheit.
Eso es una astilla por encima del cero absoluto, la temperatura más baja posible en el universo y las partículas que hacen frío hacen cosas extrañas.
"El movimiento de una partícula suele ser frenético, pero el enfriamiento lo ralentiza casi hasta detenerse", dijo Landman, quien también es director del Centro Tecnológico de Georgia para la Ciencia de Materiales Computacionales. "Y estas partículas también tienen propiedades de onda,y a esa temperatura, la longitud de onda crece enormemente ".
"Las ondas se convierten en micrones de tamaño. Sería como un guijarro que crece a un tercio del tamaño de este país. Cuando eso sucede, el átomo se vuelve visible bajo un microscopio óptico".
El tamaño inflado facilita a los investigadores conocer las ubicaciones iniciales de las dos partículas. Cuando apagan las pinzas láser, los fermiones se van volando. Las propiedades de las ondas de las partículas también tienen mucho que ver con sus vuelos extraños.
"Una partícula en movimiento actuará como un proyectil en ciertas circunstancias. Pero en otras, se comportará como una onda", dijo Landman. "Lo llamamos la dualidad mundial cuántica".
Juntos o separados
"Si configura dos detectores en diferentes posiciones pero a la misma distancia del par de partículas, la frecuencia con la que los dos vuelan al mismo detector o la frecuencia con la que vuelan en uno separado dice mucho sobre esas partículas", dijo Landman ".Y ahí es donde entran nuestros extraños hallazgos "
Se espera que los fermiones vuelen de manera diferente a los bosones, pero el estudio de los físicos teóricos sobre fermiones revisa esta idea. Dependiendo del grado de enredo cuántico entre los dos fermiones antes de que se liberen y dependiendo de su nivel de energía, pueden actuar comofermiones o actuar como bosones.
"Esto agrega una nueva rareza a la dualidad esquizofrénica de onda de partículas ya establecida", dijo Landman.
"Un par de fotones que son bosones vuelan al mismo lugar. Se quedan como un par", dijo Landman. "Son animales sociales, y los encuentras tanto en un detector como en el otroLlamamos a este fenómeno 'agrupamiento' ".
Rutas de vuelo de Weirdo
A menudo se espera que los fermiones hagan lo contrario, conocido como anti-agrupamiento, pero según el estudio, cómo vuelan depende de si tienen o no una interacción espeluznante y, de ser así, si la interacción es atractiva o repulsiva.
"Si están interactuando, y dependiendo del nivel de energía inicial, predecimos que pueden hacer cosas extrañas cuando vuelan", dijo Landman. "Eso es nuevo".
"En el nivel de energía base, llamado estado fundamental, nuestros dos fermiones que interactúan con una repulsión ultra fuerte se comportan fermiónicamente, lo que significa que se evitan entre sí. Ahora, si interactúan con una fuerte atracción, se agregan de la misma manera que los bosones".dijo "Hasta ahora, todo como se esperaba"
Pero aumentar el nivel de energía de las partículas atrapadas, o la excitación, a través de un láser adicional o un campo magnético, parecería aumentar la rareza de las partículas. Los niveles de excitación pueden cambiar las reglas de las interacciones que hacen al vuelo de un fermión,según el estudio teórico
Por ejemplo, el comportamiento fermiónico mencionado anteriormente, generalmente conectado con una fuerte interacción repulsiva, podría volverse bosónico, de acuerdo con los cálculos de los físicos. En otras palabras, las dos partículas volarían al mismo detector de la misma manera que lo hacen los bosones.
esquizofrenia cuántica ordenada
"Tan loco como parece todo esto, parece haber una gran confiabilidad en estos comportamientos que podrían incluso ser manipulados de manera predecible y práctica", dijo Landman.
Al igual que con un lanzador que afina el camino de una bola de rosca, los físicos podrían determinar el extraño vuelo de un fermión utilizando formulación mecánica cuántica, simulación computacional avanzada y experimentación, según el estudio.
"Parece que incluso puedes diseñar lo que hace esta rareza cuántica", dijo Landman. "Si conoces los estados de las partículas de manera confiable, puedes usarlos como un recurso para los cálculos cuánticos y el almacenamiento y recuperación de información."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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