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    Los gases cuánticos no absorberán el calor

    Equipo en la Universidad de California, Santa Barbra por crear y manipular gases cuánticos. Se está utilizando para investigar la localización dinámica de átomos que interactúan, que está relacionado con el nuevo trabajo de los investigadores de JQI. (Crédito:Tony Mastres, UCSB)

    El mundo cuántico desafía descaradamente las intuiciones que hemos desarrollado mientras vivíamos entre cosas relativamente grandes, como autos, monedas de un centavo y motas de polvo. En el mundo cuántico partículas diminutas pueden mantener una conexión especial a cualquier distancia, pasar a través de barreras y simultáneamente viajar por múltiples caminos.

    Un comportamiento cuántico menos conocido es la localización dinámica, un fenómeno en el que un objeto cuántico permanece a la misma temperatura a pesar de un suministro constante de energía, desafiando la suposición de que un objeto frío siempre robará calor de un objeto más caliente.

    Esta suposición es una de las piedras angulares de la termodinámica:el estudio de cómo se mueve el calor. El hecho de que la localización dinámica desafíe este principio significa que algo inusual está sucediendo en el mundo cuántico, y que la localización dinámica puede ser una excelente prueba de dónde termina el dominio cuántico y comienza la física tradicional. Entender cómo se mantienen los sistemas cuánticos, o no mantener, El comportamiento cuántico es esencial no solo para nuestra comprensión del universo, sino también para el desarrollo práctico de las tecnologías cuánticas.

    "En algún momento, la descripción cuántica del mundo tiene que cambiar a la descripción clásica que vemos, y se cree que esto sucede a través de interacciones, "dice el investigador postdoctoral de JQI Colin Rylands.

    Hasta ahora, La localización dinámica solo se ha observado para objetos cuánticos individuales, lo que le ha impedido contribuir a los intentos de precisar dónde se produce el cambio. Para explorar este problema, Rylands, junto con el miembro de JQI Victor Galitski y otros colegas, investigó modelos matemáticos para ver si la localización dinámica todavía puede surgir cuando muchas partículas cuánticas interactúan. Para revelar la física, tuvieron que fabricar modelos para tener en cuenta varias temperaturas, fortalezas de interacción y períodos de tiempo. Los resultados del equipo, publicado en Cartas de revisión física , sugieren que la localización dinámica puede ocurrir incluso cuando las interacciones fuertes son parte de la imagen.

    "Este resultado es un ejemplo de donde una sola partícula cuántica se comporta de manera completamente diferente a una partícula clásica, y luego, incluso con la adición de interacciones fuertes, el comportamiento todavía se parece al de la partícula cuántica en lugar del clásico, "dice Rylands, quien es el primer autor del artículo.

    Un tiovivo cuántico

    El resultado extiende la localización dinámica más allá de sus orígenes de una sola partícula, en el régimen de muchas partículas que interactúan. Pero para visualizar el efecto, sigue siendo útil empezar con una sola partícula. A menudo, que una sola partícula se discute en términos de un rotor, que puede imaginarse como un tiovivo en el patio de recreo (o cualquier otra cosa que gire en círculo). La energía de un rotor (y su temperatura) está directamente relacionada con la rapidez con la que gira. Y un rotor con un suministro constante de energía, uno al que se le da una "patada" regular, es una forma conveniente de visualizar las diferencias en el flujo de energía en la física cuántica y clásica.

    Por ejemplo, imagina a Hércules deslizando incansablemente un tiovivo. La mayoría de sus golpes lo acelerarán, pero ocasionalmente, un golpe aterrizará mal y lo ralentizará. En estas condiciones (imaginarias), un tiovivo normal giraría cada vez más rápido, acumulando más y más energía hasta que las vibraciones finalmente lo sacuden todo. Esto representa cómo un rotor normal, En teoria, puede calentarse para siempre sin alcanzar un límite de energía.

    En el mundo cuántico las cosas pasan de manera diferente. Para un carrusel cuántico, cada deslizamiento no simplemente aumenta o disminuye la velocidad. En lugar de, cada golpe produce una superposición cuántica a diferentes velocidades, que representa la posibilidad de encontrar el rotor girando a diferentes velocidades. No es hasta que haces una medición que emerge una velocidad particular de la superposición cuántica causada por las patadas anteriores.

    Investigación previa, tanto teóricos como experimentales, ha demostrado que al principio un rotor cuántico no se comporta de manera muy diferente a un rotor normal debido a esta distinción; en promedio, un tiovivo cuántico también tendrá más energía después de experimentar más patadas. Pero una vez que un rotor cuántico ha sido pateado lo suficiente, su velocidad tiende a estabilizarse. Después de cierto punto, el esfuerzo persistente de nuestro Hércules cuántico no logra aumentar la energía del tiovivo cuántico (en promedio).

    Este comportamiento es conceptualmente similar a otro fenómeno cuántico que desafía la termodinámica llamado localización de Anderson. Philip Anderson, uno de los fundadores de la física de la materia condensada, ganó un Premio Noble por el descubrimiento del fenómeno. Él y sus colegas explicaron cómo una partícula cuántica, como un electrón, podría quedar atrapado a pesar de muchas oportunidades aparentes para moverse. Explicaron que las imperfecciones en la disposición de los átomos en un sólido pueden provocar interferencias cuánticas entre los caminos disponibles para una partícula cuántica. cambiando la probabilidad de que tome cada camino. En la localización de Anderson, la posibilidad de estar en cualquier camino se vuelve casi nula, dejando la partícula atrapada en su lugar.

    La localización dinámica se parece mucho a la localización de Anderson, pero en lugar de quedar atrapado en una posición particular, la energía de una partícula se atasca. Como objeto cuántico, la energía de un rotor y, por lo tanto, la velocidad están restringidas a un conjunto de valores cuantificados. Estos valores forman una rejilla o celosía abstracta similar a la ubicación de los átomos en un sólido y pueden producir una interferencia entre estados de energía similar a la interferencia entre trayectorias en el espacio físico. Las probabilidades de las diferentes energías posibles, en lugar de los posibles caminos de una partícula, interferir, y la energía y la velocidad se atascan cerca de un valor único, a pesar de las patadas en curso.

    Explorando un nuevo patio de juegos cuántico

    Si bien la localización de Anderson brindó a los investigadores una perspectiva para comprender un solo rotor cuántico pateado, dejó cierta ambigüedad sobre lo que sucede con muchos rotores que interactúan y que pueden lanzar energía de un lado a otro. Una expectativa común era que las interacciones adicionales permitirían un calentamiento normal al interrumpir el equilibrio cuántico que limita el aumento de energía.

    Galitski y sus colegas identificaron un sistema unidimensional en el que pensaban que la expectativa podría no ser cierta. Eligieron un gas Bose unidimensional que interactúa como su patio de recreo. En un gas Bose, las partículas que se desplazan hacia adelante y hacia atrás a lo largo de una línea desempeñan el papel de los rotores que giran en su lugar. Los átomos de gas siguen los mismos principios básicos que los rotores con patadas, pero es más práctico trabajar con ellos en un laboratorio. En laboratorios, Los láseres se pueden utilizar para contener el gas y también para enfriar los átomos en el gas a una temperatura baja, que es esencial para asegurar un comportamiento cuántico fuerte.

    Una vez que el equipo seleccionó este patio de recreo, exploraron modelos matemáticos de los muchos átomos de gas que interactúan. Explorando el gas a una variedad de temperaturas, Las fortalezas de interacción y el número de patadas requirieron que el equipo cambiara entre varias técnicas matemáticas diferentes para obtener una imagen completa. Al final, sus resultados se combinaron para sugerir que cuando un gas con interacciones fuertes comienza a una temperatura cercana a cero, puede experimentar una localización dinámica. El equipo denominó este fenómeno "localización dinámica de muchos cuerpos".

    "Estos resultados tienen implicaciones importantes y demuestran fundamentalmente nuestra comprensión incompleta de estos sistemas, "dice Robert Konik, coautor del artículo y físico del Brookhaven National Lab. "También contienen la semilla de posibles aplicaciones porque los sistemas que no aceptan energía deberían ser menos sensibles a los efectos de decoherencia cuántica y, por lo tanto, podrían ser útiles para fabricar computadoras cuánticas".

    Soporte experimental

    Por supuesto, una explicación teórica es solo la mitad del rompecabezas; La confirmación experimental es esencial para saber si una teoría está sobre una base sólida. Afortunadamente, un experimento en la costa opuesta de los EE. UU. se ha centrado en el mismo tema. Las conversaciones con Galitski inspiraron a David Weld, profesor asociado de física en la Universidad de California, Santa Barbra, utilizar la experiencia experimental de su equipo para probar la localización dinámica de muchos cuerpos.

    "Por lo general, no es fácil convencer a un experimentalista de que realice un experimento basado en la teoría, "dice Galitski." Este caso fue un poco fortuito, que David ya tenía casi todo listo ".

    El equipo de Weld está utilizando un gas cuántico de átomos de litio confinado por láseres para crear un experimento similar al modelo teórico desarrollado por el equipo de Galitski. (La principal diferencia es que en el experimento los átomos se mueven en tres dimensiones en lugar de solo una).

    En el experimento, Weld y su equipo patean los átomos cientos de veces usando pulsos de láser y observan repetidamente su destino. Para diferentes ejecuciones del experimento, ajustaron la fuerza de interacción de los átomos a diferentes valores.

    "Es bueno porque podemos pasar perfectamente a un régimen de no interacción, y eso es algo del que es bastante fácil calcular el comportamiento, "dice Weld." Y entonces podemos aumentar continuamente la interacción y pasar a un régimen que se parezca más a lo que Víctor y sus compañeros de trabajo están hablando en este último artículo. Y observamos la localización, incluso en presencia de las interacciones más fuertes que podamos agregar al sistema. Eso ha sido una sorpresa para mí ".

    Sus resultados preliminares confirman la predicción de que la localización dinámica de muchos cuerpos puede ocurrir incluso cuando las interacciones fuertes son parte de la imagen. Esto abre nuevas oportunidades para que los investigadores intenten precisar el límite entre el mundo cuántico y el clásico.

    "Es bueno poder mostrar algo que la gente no esperaba y también que sea relevante desde el punto de vista experimental, "dice Rylands.


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