A medida que un sistema físico experimenta una transición de fase, generalmente se vuelve más o menos ordenado. Por ejemplo, cuando una pieza de hierro se calienta por encima de la temperatura de Curie, la fuerte alineación ferromagnética de los momentos dipolo magnéticos elementalesda paso a una alineación paramagnética mucho más débil. Tales cambios están bien descritos en el marco general de los parámetros de orden, proporcionados por la teoría de Landau de las transiciones de fase. Sin embargo, muchos materiales de interés fundamental y tecnológico actual se caracterizan por más de un parámetro de orden.Aquí la situación puede volverse extraordinariamente compleja bastante rápido, en particular cuando las diferentes órdenes interactúan entre sí. La ruta tradicional para obtener una comprensión de sistemas cuánticos tan complejos es, simplemente hablando, explorar cuidadosamente la respuesta a los cambios en las condiciones externas yvarias sondas y, por lo tanto, trazar el diagrama de fase del sistema.
Tobias Donner y su equipo en el grupo de Tilman Esslinger del Departamento de Física de ETH Zurich ahora presentan un enfoque complementario. Controlan todos los parámetros microscópicos relevantes de un sistema cuántico regido por dos parámetros de orden acoplado y, por lo tanto, pueden construir esencialmentey modifique el diagrama de fases de abajo hacia arriba, como informan en un documento publicado hoy en la revista Materiales de la naturaleza .
Los modelos fenomenológicos que reproducen los diagramas de fase determinados experimentalmente de materiales con una o más tendencias de ordenación han proporcionado una visión profunda del comportamiento de una variedad de sistemas, como los multiferroicos, donde un material exhibe simultáneamente ferromagnetismo y ferroelectrismo, abriendo la puerta anueva funcionalidad, o ciertas familias de superconductores. Sin embargo, los procesos microscópicos subyacentes a la formación del orden macroscópico en estos sistemas a menudo se desconocen. Esta brecha en la comprensión limita el poder predictivo de los modelos fenomenológicos y al mismo tiempo hace que sea difícil sabercómo se debe modificar un material determinado para obtener las propiedades deseadas, de ahí el atractivo del enfoque adoptado por Donner y sus colegas, que comenzaron no con un sistema específico y su descripción fenomenológica, sino con un sistema cuántico flexible cuyos parámetros microscópicos relevantes pueden controlarsecon alta precisión y sintonizado en una amplia range de valores, permitiendo la realización de diversos escenarios.
Para crear una plataforma tan versátil, el equipo atrapó ópticamente un condensado de Bose-Einstein BEC en la intersección de dos modos de cavidad óptica ver la figura. En esta configuración, el BEC puede cristalizar en dos patrones diferentes, cada uno deque está asociado con un parámetro de orden diferente. Dependiendo de la configuración experimental, las dos órdenes competían entre sí, obligando al sistema a uno de los dos patrones rojo y amarillo, o coexisten, lo que lleva a un nuevo acoplamientofase azul, donde los dos órdenes no se suman simplemente, sino que dan lugar a una disposición espacial más compleja. El alcance de esta fase de orden mixto también se puede controlar, para favorecer regímenes de exclusión mutua o de mejora mutua.
Mientras que estas fases particulares no tienen un papel directo conocido en los materiales prácticos, el enfoque establecido con estos experimentos puede modificarse para simular en el futuro las propiedades de los materiales que son tecnológicamente altamente relevantes. En particular, en los superconductores de alta temperatura cuprate acopladosy el orden de carga se sabe que tienen un papel importante, pero no completamente comprendido. El tipo de experimentos ahora promovidos por los físicos de ETH debería ofrecer una herramienta única para explorar tales fases, y varias otras, a partir de un sistema cuántico 'limpio'con interacciones bien controladas y ampliamente ajustables.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por ETH Departamento de Física de Zurich . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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