Los físicos han descubierto que las nubes de átomos súper fríos pueden causar «tornados cuánticos»

Los físicos del MIT han logrado crear «tornados cuánticos» en las nubes de átomos súper fríos. ultimo papel publicado en la revista Nature. Esta es la primera línea, en su lugar Documentos sobre la rapidez con la que evoluciona el gas cuántico en rotación և Según los autores, el proceso es similar a cómo los efectos de la rotación de la Tierra pueden causar patrones climáticos a gran escala.

Los científicos del MIT estaban interesados ​​en estudiar el llamado fluidos de la sala cuántica. Descubiertos por primera vez en la década de 1980, los líquidos cuánticos de Hall están formados por nubes de electrones que flotan en campos magnéticos. En el sistema clásico, los electrones se repelen entre sí y forman cristales. Sin embargo, en los fluidos cuánticos de Hall, los electrones imitan el comportamiento de sus vecinos, lo que indica una relación cuántica.

«La gente descubrió todo tipo de propiedades asombrosas, porque los electrones en el campo magnético (clásicamente) están congelados en su lugar, toda su energía cinética está apagada, todo lo que queda son las interacciones». dijo el coautor Richard Fletcher, Físico en el MIT. «Así que todo este mundo llegó a existir. Pero era muy difícil de observar y de entender».

Por lo tanto, Fletcher և y sus coautores pensaron que podían imitar este comportamiento inusual de los electrones utilizando nubes de gases cuánticos sobreenfriados. Conocido como: Condensados ​​de Bose-Einstein (BEC), estos gases reciben su nombre en honor a Albert Einstein, el físico indio Satiendra Bose. En la década de 1920, Bose և Einstein predijo la probabilidad de que la naturaleza ondulada de los átomos permitiera que los átomos se propagaran y coincidieran si estaban lo suficientemente cerca unos de otros.

A temperaturas normales, los átomos actúan como bolas de billar y rebotan entre sí. Bajar la temperatura reduce su velocidad. Si la temperatura es lo suficientemente baja (mil millonésimas por encima del cero absoluto), los átomos están lo suficientemente densos, las diferentes ondas de materia podrán «sentirse» entre sí, coordinándose como si fueran un gran «gerátomo».

Fueron los primeros BEK creado en 1995և Durante algunos años, más de treinta equipos repitieron el experimento. Eso: Descubrimiento ganador del premio Nobel abrió una nueva rama de la física. BEC para permitir a los científicos estudiar el extraño y pequeño mundo de la física cuántica como si lo estuvieran mirando con una lupa, ya que BEC «amplifica» los átomos al igual que los láseres amplifican los fotones.

Los gases atómicos fríos imitan a los electrones en los sólidos, pero no tienen carga. Esta neutralidad puede desafiarse para imitar fenómenos como el efecto Hall cuántico. Rodar en un sistema tan neutral es una forma de superar este obstáculo.

«Pensamos, dejemos que estos átomos fríos se comporten como electrones en un campo magnético, pero podemos controlarlo con precisión». dijo el coautor Martin Zwirlein, también físico en el MIT. «Entonces podemos imaginar lo que hacen los átomos individuales, ver si están sujetos a la misma física mecánica cuántica».

Con la ayuda de una trampa láser, los científicos del MIT congelaron alrededor de 1 millón de átomos de gas sodio; Los átomos congelados se almacenaron por medio de un campo magnético. El segundo paso es el enfriamiento de la evaporación, en el que la red de campos magnéticos expulsa los átomos más calientes para que los átomos más fríos puedan acercarse unos a otros. El proceso funciona de manera muy similar a como ocurre el enfriamiento por evaporación en el caso de una taza de café caliente. los átomos más calientes se elevan por encima de la trampa magnética, «saliendo volando» en forma de vapor.

Los mismos campos magnéticos también pueden indicar que los átomos atrapados giran a 100 revoluciones por segundo. Este movimiento fue registrado por una cámara CCD debido a la respuesta luminosa de los átomos de sodio de la luz láser. Los átomos proyectan sombras, que luego se pueden ver usando una técnica llamada imagen de absorción.

En 100 milisegundos, los átomos giraron en una estructura larga y delgada en forma de aguja. A diferencia del líquido clásico (como el humo del cigarrillo), que simplemente continúa diluyéndose, el líquido cuántico tiene un límite de cuánto puede diluirse. Los investigadores del MIT han descubierto que las estructuras en forma de aguja formadas en sus gases sobreenfriados alcanzan el límite de esa delgadez. Los investigadores describieron su descubrimiento del gas cuántico y sus hallazgos el año pasado. en la ciencia.

Este último artículo lleva la experiencia del MIT un paso más allá al examinar cómo el fluido de la aguja puede evolucionar en una interacción atómica de espín puro. El resultado. Surgió una inestabilidad cuántica que hizo vibrar la aguja líquida y luego el tapón. Eventualmente, el líquido cristalizó en una serie de aspas giratorias que recuerdan a los tornados, un cristal cuántico formado por interacción atómica dentro de un gas en rotación completa. La evolución es notablemente similar a las formaciones que se llaman Nubes de Kelvin-Helmholtzen cuyo caso una nube homogénea comienza a formar dedos sucesivos en la atmósfera como resultado de la diferencia de velocidad (velocidad և dirección) entre dos corrientes de viento.

«Esta evolución está relacionada con la idea de que una mariposa en China podría crear una tormenta aquí debido a la inestabilidad que provoca la turbulencia». dijo Zwirlein. «Tenemos un clima cuántico aquí. El fluido, debido a su inestabilidad cuántica, se escinde en esta estructura cristalina de nubes y vórtices más pequeños. Y ver estos efectos cuánticos directamente es un punto de inflexión”.

Aparentemente, este comportamiento era predecible. documento anterior por otros físicos descubiertos recientemente por el equipo del MIT. Y existen algunas aplicaciones prácticas potenciales para esta investigación, especialmente como sensores giratorios altamente sensibles para la navegación submarina. submarinos confiar en sobre: Giroscopios de fibra óptica para detectar el movimiento de rotación cuando están sumergidos, lo que provoca un patrón de interferencia de la señal. Los átomos se mueven más lentamente que la luz, por lo que el sensor de tornado cuántico será mucho más sensible, posiblemente incluso lo suficientemente sensible como para medir cambios leves en la rotación de la Tierra.

DOI: Naturaleza, 2022 10.1038/s41586-021-04170-2: (Acerca de los DOI:):