Bosones y fermiones, las dos clases en las que se pueden clasificar todas las partículas, desde las subatómicas hasta los átomos mismos, se comportan de manera muy diferente en la mayoría de las circunstancias. Mientras que a los bosones idénticos les gusta congregarse, los fermiones idénticos tienden a ser antisociales.Sin embargo, en una dimensión, imagina partículas que solo pueden moverse en una línea, los bosones pueden volverse tan distantes como los fermiones, de modo que no hay dos que ocupen la misma posición. Ahora, una nueva investigación muestra que lo mismo es que los bosones actúancomo los fermiones, pueden suceder con sus velocidades. El hallazgo se suma a nuestra comprensión fundamental de los sistemas cuánticos y podría informar el eventual desarrollo de dispositivos cuánticos.
"Todas las partículas en la naturaleza vienen en uno de dos tipos, dependiendo de su 'giro', una propiedad cuántica sin análogo real en física clásica", dijo David Weiss, profesor distinguido de física en Penn State y uno de los líderes deel equipo de investigación. "Los bosones, cuyos espines son enteros enteros, pueden compartir el mismo estado cuántico, mientras que los fermiones, cuyos espines son medios enteros, no pueden. Cuando las partículas son lo suficientemente frías o densas, los bosones se comportan de manera completamente diferente a los fermiones.Condensados de Bose-Einstein, 'se congregan en el mismo estado cuántico. Los fermiones, por otro lado, llenan los estados disponibles uno por uno para formar lo que se llama un' mar de Fermi '".
Los investigadores de Penn State ahora han demostrado experimentalmente que, cuando los bosones se expanden en una dimensión se permite que la línea de átomos se extienda por más tiempo, pueden formar un mar de Fermi. Un artículo que describe la investigación aparece el 27 de marzo de 2020en el diario ciencia .
"Los fermiones idénticos son antisociales, no puedes tener más de uno en el mismo lugar, por lo que cuando tienen mucho frío no interactúan", dijo Marcos Rigol, profesor de física en Penn State y el otro líder de la investigaciónequipo ". Los bosones pueden estar en el mismo lugar, pero esto se vuelve energéticamente demasiado costoso cuando sus interacciones son muy fuertes. Como resultado, cuando se ven obligados a moverse en una dimensión, su distribución espacial puede parecerse a la de los fermiones que no interactúan.En 2004, el grupo de investigación de David demostró experimentalmente este fenómeno, que se predijo teóricamente en la década de 1960 ".
Aunque las propiedades espaciales de los bosones que interactúan fuertemente y los fermiones que no interactúan son los mismos en una dimensión, los bosones aún pueden tener las mismas velocidades entre sí, mientras que los fermiones no pueden. Esto se debe a la naturaleza fundamental de las partículas.
"En 2005, Marcos, entonces un estudiante graduado, predijo que cuando los bosones que interactúan fuertemente se expanden en una dimensión, su distribución de velocidad formará un mar de Fermi", dijo Weiss. "Estaba muy emocionado de colaborar con él para demostrar este impactofenómeno."
El equipo de investigación crea una matriz de gases unidimensionales ultrafríos compuestos de átomos bosónicos 'gases Bose' utilizando una red óptica, que utiliza luz láser para atrapar los átomos. En la trampa de luz, el sistema está en equilibrio ylos gases Bose que interactúan fuertemente tienen distribuciones espaciales como fermiones, pero aún tienen la distribución de velocidad de los bosones. Cuando los investigadores desconectan parte de la luz atrapante, los átomos se expanden en una dimensión. Durante esta expansión, la distribución de la velocidad de los bosones se transforma suavementeen uno que sea idéntico a los fermiones. Los investigadores pueden seguir esta transformación tal como sucede.
"La dinámica de los gases ultrafríos en redes ópticas es la fuente de muchos fenómenos fascinantes novedosos que recientemente han comenzado a explorarse", dijo Rigol. "Por ejemplo, el grupo de Dave demostró en 2006 que algo tan universal como la temperatura no está bien".definido después de que los gases Bose experimentan dinámicas en una dimensión. Mis colaboradores y yo relacionamos este hallazgo con una hermosa propiedad matemática subyacente de los modelos teóricos que describen sus experimentos, conocidos como 'integrabilidad'. La integrabilidad juega un papel central en nuestro fenómeno de fermionización dinámica recientemente observado."
Debido a que el sistema es "integrable", los investigadores pueden entenderlo con gran detalle y al estudiar el comportamiento dinámico de estos gases unidimensionales, el equipo de Penn State espera abordar cuestiones amplias en física.
"En el último medio siglo se han dilucidado muchas propiedades universales de los sistemas cuánticos de equilibrio", dijo Weiss. "Ha sido más difícil identificar el comportamiento universal en los sistemas dinámicos. Al comprender completamente la dinámica de los gases unidimensionales, y luegogradualmente haciendo que los gases sean menos integrables, esperamos identificar principios universales en sistemas cuánticos dinámicos ".
Los sistemas cuánticos dinámicos e interactivos son una parte importante de la física fundamental. También están aumentando tecnológicamente relevantes, ya que muchos dispositivos cuánticos reales y propuestos se basan en ellos, incluidos los simuladores cuánticos y las computadoras cuánticas.
"Ahora tenemos acceso experimental a cosas que si le hubieras preguntado a cualquier teórico que trabajara en el campo hace diez años '¿veremos esto en nuestra vida?' Habrían dicho 'de ninguna manera'", dijo Rigol.
Además de Rigol y Weiss, el equipo de investigación de Penn State incluye a Joshua M. Wilson, Neel Malvania, Yuan Le y Yicheng Zhang. La investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. Y la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU.realizado en el Penn State Institute for Computational and Data Sciences.
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Materiales proporcionado por Estado Penn . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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