Los físicos del Trinity College Dublin han propuesto un termómetro basado en el entrelazamiento cuántico que puede medir con precisión temperaturas mil millones de veces más frías que las del espacio exterior.
Estas temperaturas ultra frías surgen en nubes de átomos, conocidos como gases de Fermi, que son creados por científicos para estudiar cómo se comporta la materia en estados cuánticos extremos.
El trabajo fue dirigido por el equipo de QuSys en Trinity con becarios postdoctorales, el Dr. Mark Mitchison, el Dr. Giacomo Guarnieri y el profesor John Goold, en colaboración con el profesor Steve Campbell UCD y el Dr. Thomas Fogarty y el profesor Thomas Busch que trabajan en OIST, Okinawa, Japón.
Al discutir la propuesta, el profesor Goold, jefe del grupo QuSys de Trinity, explica qué es un gas ultrafrío. Dijo :
"La forma estándar en la que un físico piensa sobre un gas es utilizar una teoría conocida como mecánica estadística. Esta teoría fue inventada por gigantes de la física como Maxwell y Boltzmann en el siglo XIX. Estos tipos revivieron una vieja idea de laFilósofos griegos que los fenómenos macroscópicos, como la presión y la temperatura, podían entenderse en términos del movimiento microscópico de los átomos. Debemos recordar que en ese momento, la idea de que la materia estaba hecha de átomos era revolucionaria ".
"En los albores del siglo XX, otra teoría se materializó. Esta es la mecánica cuántica y puede ser la teoría más importante y precisa que tenemos en física. Una predicción famosa de la mecánica cuántica es que los átomos individuales adquieren ondascaracterísticas, lo que significa que por debajo de una temperatura crítica pueden combinarse con otros átomos en una sola onda macroscópica con propiedades exóticas. Esta predicción llevó a una búsqueda experimental de un siglo para alcanzar la temperatura crítica. El éxito finalmente se logró en los años 90 con la creaciónde los primeros gases ultrafríos, enfriados con láseres Premio Nobel de 1997 y atrapados con fuertes campos magnéticos, una hazaña que ganó el Premio Nobel en 2001 ".
"Los gases ultrafríos como estos ahora se crean de forma rutinaria en laboratorios de todo el mundo y tienen muchos usos, que van desde probar teorías de la física fundamental hasta detectar ondas gravitacionales. ¡Pero sus temperaturas son increíblemente bajas en nanokelvin y por debajo!una idea, un kelvin es -271,15 grados Celsius. Estos gases son mil millones de veces más fríos que eso, los lugares más fríos del universo y se crean aquí mismo en la Tierra ".
Entonces, ¿qué es exactamente un gas Fermi?
"Todas las partículas en el universo, incluidos los átomos, vienen en uno de dos tipos llamados 'bosones' y 'fermiones'. Un gas de Fermi comprende fermiones, que llevan el nombre del físico Enrico Fermi. A temperaturas muy bajas, los bosones y fermiones se comportan completamentede manera diferente. Mientras que a los bosones les gusta agruparse, los fermiones hacen lo contrario. ¡Son los últimos distanciadores sociales! Esta propiedad hace que su temperatura sea difícil de medir ".
El Dr. Mark Mitchison, el primer autor del artículo, explica :
"Tradicionalmente, la temperatura de un gas ultrafrío se infiere de su densidad: a temperaturas más bajas, los átomos no tienen suficiente energía para esparcirse lejos, haciendo que el gas sea más denso. Pero los fermiones siempre se mantienen alejados, incluso enbajas temperaturas, por lo que en algún momento la densidad de un gas Fermi no le dice nada sobre la temperatura ".
"En su lugar, propusimos usar un tipo diferente de átomo como sonda. Digamos que tiene un gas ultrafrío hecho de átomos de litio. Ahora toma un átomo diferente, digamos potasio, y lo sumerge en el gas. Colisionescon los átomos circundantes cambia el estado de su sonda de potasio y esto le permite inferir la temperatura. Técnicamente hablando, nuestra propuesta implica la creación de una superposición cuántica: un estado extraño en el que el átomo de la sonda interactúa simultáneamente con el gas y no lo hace.que esta superposición cambia con el tiempo de una manera que es muy sensible a la temperatura ".
El Dr. Giacomo Guarnieri da la siguiente analogía :
"Un termómetro es solo un sistema cuyas propiedades físicas cambian con la temperatura de una manera predecible. Por ejemplo, puede tomar la temperatura de su cuerpo midiendo la expansión del mercurio en un tubo de vidrio. Nuestro termómetro funciona de manera análoga,pero en lugar de mercurio medimos el estado de átomos individuales que están entrelazados o correlacionados con un gas cuántico ".
Profesor Steve Campbell, UCD, comentarios :
"Esta no es solo una idea remota; lo que estamos proponiendo aquí se puede implementar utilizando la tecnología disponible en los laboratorios de física atómica modernos. Que se pueda probar una física tan fundamental es realmente sorprendente. Entre las diversas tecnologías cuánticas emergentes, es probable que los sensores cuánticos como nuestro termómetro tengan el impacto más inmediato, por lo que es un trabajo oportuno y fue destacado por los editores de Cartas de revisión física por esa razón. "
El profesor Goold agrega :
"De hecho, una de las razones por las que se destacó este artículo fue precisamente porque realizamos cálculos y simulaciones numéricas con un enfoque particular en un experimento que se realizó en Austria y se publicó hace unos años en Science. Aquí el gas Fermi es ungas diluido de átomos de litio atrapados que estaban en contacto con impurezas de potasio. Los experimentadores pueden controlar el estado cuántico con pulsos de radiofrecuencia y medir información sobre el gas. Estas son operaciones que se utilizan habitualmente en otras tecnologías cuánticas ".
"Las escalas de tiempo que son accesibles son simplemente asombrosas y no tendrían precedentes en los experimentos tradicionales de física de materia condensada. Estamos entusiasmados de que nuestra idea de usar estas impurezas como un termómetro cuántico con exquisita precisión pueda implementarse y probarse con la tecnología existente".
El profesor Goold y su grupo de investigación QuSys cuentan con el apoyo de la Science Foundation Ireland. Recibió una beca de investigación de la Royal Society University y una beca de inicio del European Research Council. Recientemente ha sido elegido miembro de la Young Academy of Europe.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Trinity College Dublín . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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