mundial le permite escuchar los físicos cuánticos efectos débiles

De menor entropía del gas permite el modelado de sistemas cuánticos tales como superconductores de alta temperatura

Universidad de California, Berkeley

Los físicos de la Universidad de California, Berkeley, se han enfriado un gas al estado más tranquilo jamás alcanzada, con la esperanza de detectar los efectos cuánticos débiles perdidos en el fragor de fluidos fríos, pero más ruidosos.

Mientras que la temperatura de los gases ultrafríos – una mil millonésima de grado por encima del cero absoluto – es dos veces tan caliente como el frío registro, el gas tiene la entropía más baja jamás medido. La entropía es una medida del desorden o ruido en un sistema; un gas de registro de baja temperatura no es necesariamente el menos ruidoso.

“Este ‘entropía más bajo» o condición “ruido más bajo’ significa que el gas cuántico puede ser utilizado para dar a luz sutiles efectos de la mecánica cuántica, que son un objetivo principal de la investigación moderna en los materiales y en la física de muchos cuerpos,” dijo el co-autor Dan Stamper-Kurn, profesor de la Universidad de Berkeley de la física. “Cuando todo está tranquilo y todo es todavía, uno puede discernir la sutil música de la mecánica cuántica de muchos cuerpos.”

El gas cuántico, un llamado condensado de Bose-Einstein, consistió en cerca de un millón de átomos de rubidio atrapados por un rayo de luz, aislado en un vacío y se enfrió a su estado de energía más bajo. La entropía y la temperatura eran tan bajos que los investigadores tuvieron que desarrollar un nuevo tipo de termómetro para medir ellos.

Mientras que el logro extremadamente bajas temperaturas pueden hacer que los libros de registro, dicho estudiante graduado de Berkeley Ryan Olf, lo que los científicos pretenden hoy son los estados de baja entropía que puedan estudiar para entender los materiales más interesantes pero difíciles de estudio.

La capacidad del equipo de la Universidad de Berkeley para manipular los gases ultrafríos, de baja entropía les permitirá estudiar estos sistemas cuánticos, incluyendo los imanes cuánticos – potencialmente útiles en los ordenadores cuánticos – y superconductores de alta temperatura. superconductores de alta temperatura son materiales experimentales que muestran superconductividad – flujo eléctrico sin resistencia – a temperaturas relativamente altas en comparación con el 3 o 4 grados Celsius por encima del cero absoluto típico de los superconductores convencionales de hoy en día.

“Uno de los santos griales de la física moderna es entender estos materiales exóticos lo suficientemente bien como para diseñar uno que es superconductor sin que se requiera ningún enfriamiento en absoluto”, dijo Olf. “Mediante el estudio de las propiedades de los gases de baja entropía en varias configuraciones, nuestra comunidad de investigadores esperan aprender lo que hace que estos materiales fascinantes funcionan de la manera que lo hacen.”

Olf dijo que la entropía por partícula, en lugar de la temperatura, es el parámetro pertinente cuando la comparación de los sistemas, y los gases ultrafríos que habían sido producidos hasta ahora luchado para llegar a las entropías bajas que serían necesarios para probar los modelos de estos materiales.

“En un sentido muy real, esto constituye el gas más frío jamás producido, a 50 veces inferior a la temperatura a la que los efectos cuánticos estadísticos se ponen de manifiesto, la temperatura de condensación de Bose-Einstein,” dijo.

Los detalles del experimento fueron publicados en línea el mes pasado y aparecerá en una próxima edición impresa de la journalNature Física.

Reducir el ruido

Stamper-Kurn y su equipo de laboratorio de gases térmica a temperaturas tan bajas que los efectos cuánticos se hacen cargo, lo que conduce a un comportamiento extraño “superfluido”, como el flujo sin fricción. helio superfluido es famoso por escalar hacia arriba y sobre el borde de una taza. Gases superfluidas vórtices de exhibición – tornados pequeños como los que creó cuando se agita una taza de café – que viven para siempre.

A estas bajas temperaturas, Stamper-Kurn dijo, las excitaciones de baja energía o balanceándose de los átomos son ondas sonoras. “Temperatura genera algo así como un constante estruendo del sonido en el gas, y la entropía es como una cuenta de cuántas permanecen excitaciones de ondas sonoras. El frío se convierte en un gas, menor entropía que tiene y el más silencioso que es. “

Normalmente, un condensado de Bose-Einstein es una mezcla de un gas cuántico y un gas normal. Su temperatura se determina mediante la medición de las propiedades térmicas del gas normal. Un gas de baja entropía es casi todo el gas cuántica, sin embargo, por lo que el equipo tuvo que encontrar una manera diferente para medir la temperatura. Lo hicieron por la inclinación de la magnetización de los espines atómicos y la medición de las propiedades térmicas de la magnetización inclinada, esencialmente creando un termómetro Magnon.

Los giros inclinados también ayudaron a que se enfríe el gas a su estado de baja entropía mediante la mejora de la refrigeración por evaporación que los investigadores han dependido durante mucho tiempo para producir gases ultrafríos. Además de la eliminación de los átomos calientes para reducir la temperatura media de los gases, que utilizan la refrigeración por evaporación del thermalized gira para reducir la temperatura de 1 nanokelvin (una mil millonésima de grado por encima del cero absoluto), que corresponde a una entropía 100 veces menor que experimentos anteriores, dijo Olf.

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