En un escenario conocido y bien entendido, el emparejamiento es causado únicamente por la atracción entre dos fermiones (líneas verdes). Sin embargo, Los científicos de Heidelberg encontraron que con fuertes interacciones entre los fermiones, se lleva a cabo un tipo diferente de emparejamiento, que depende en gran medida de la densidad del medio circundante (regiones sombreadas en gris). Esto sugiere que en este estado, cada partícula no solo está emparejada con otra partícula, pero que existen correlaciones adicionales con otras partículas en su entorno. Crédito:Puneet Murthy
Usando átomos ultrafríos, Los investigadores de la Universidad de Heidelberg han descubierto un estado exótico de la materia en el que las partículas constituyentes se emparejan cuando se limitan a dos dimensiones. Los hallazgos del campo de la física cuántica pueden contener pistas importantes sobre fenómenos intrigantes de superconductividad. Los resultados fueron publicados en Ciencias .
Los superconductores son materiales a través de los cuales la electricidad puede fluir sin ninguna resistencia una vez que se enfrían por debajo de una determinada temperatura crítica. La clase de materiales tecnológicamente más relevante, con temperaturas críticas excepcionalmente altas para la superconductividad, se entiende poco hasta ahora. Hay evidencia, sin embargo, que para que ocurra la superconductividad, cierto tipo de partículas, los fermiones, deben emparejarse. Es más, La investigación ha demostrado que los materiales que se vuelven superconductores a temperaturas relativamente altas tienen estructuras en capas. "Esto significa que los electrones en estos sistemas solo pueden moverse en planos bidimensionales", explica el profesor Dr. Selim Jochim del Instituto de Física de la Universidad de Heidelberg, quien dirige el proyecto. "Lo que no entendíamos hasta ahora era cómo la interacción del emparejamiento y la dimensionalidad puede conducir a temperaturas críticas más altas".
Para explorar esta pregunta, Los investigadores del Centro de Dinámica Cuántica realizaron experimentos en los que confinaron un gas de átomos ultrafríos en trampas bidimensionales que crearon utilizando rayos láser enfocados. "En materiales de estado sólido como los óxidos de cobre, Hay muchos efectos e impurezas diferentes que dificultan el estudio de estos materiales. Por eso utilizamos átomos ultrafríos para simular el comportamiento de los electrones en los sólidos. Esto nos permite crear muestras muy limpias y nos da un control total sobre los parámetros esenciales del sistema ", dice Puneet Murthy, un doctorado estudiante del Centro de Dinámica Cuántica de la Universidad de Heidelberg y uno de los autores principales de esta publicación.
Usando una técnica conocida como espectroscopia de radiofrecuencia, los investigadores midieron la respuesta de los átomos a un pulso de ondas de radio. De esta respuesta, podían decir exactamente si las partículas estaban emparejadas o no y de qué manera. Estas mediciones también se realizaron para diferentes fuerzas de interacción entre fermiones. En el curso de los experimentos, los investigadores descubrieron un estado exótico de la materia. La teoría establece que los fermiones con una interacción débil deberían emparejarse a la temperatura a la que se vuelven superconductores. Sin embargo, cuando los científicos aumentaron la interacción entre fermiones, encontraron que el emparejamiento se producía a temperaturas varias veces superiores a la temperatura crítica.
"Para lograr nuestro objetivo final de comprender mejor estos fenómenos, comenzaremos con pequeños sistemas que juntamos átomo por átomo ", dice el profesor Jochim.
