Una nueva investigación realizada en la Universidad de Chicago ha confirmado una teoría de décadas de antigüedad que describe la dinámica de las transiciones de fase continuas.

Los resultados, publicado en la edición del 4 de noviembre de Ciencias , proporcionan la primera demostración clara del mecanismo Kibble-Zurek para una transición de fase cuántica tanto en el espacio como en el tiempo. El profesor Cheng Chin y su equipo de físicos de UChicago observaron la transición en átomos de cesio gaseoso a temperaturas cercanas al cero absoluto.

En una transición de fase, La materia cambia su forma y propiedades como en las transiciones de sólido a líquido (por ejemplo, hielo a agua) o de líquido a gas (por ejemplo, Agua en vapor). Esas se conocen como transiciones de fase de primer orden.

Una transición de fase continua, o transición de segundo orden, forma defectos, como muros de dominio, cuerdas y texturas cósmicas, donde parte de la materia está atrapada entre regiones en estados distintos. El mecanismo Kibble-Zurek predice cómo se formarán tales defectos y estructuras complejas en el espacio y el tiempo cuando un sistema físico atraviesa una transición de fase continua. Ejemplos de transiciones de fase continuas incluyen la ruptura de simetría espontánea en el universo temprano y, en el caso del experimento del equipo de Chin, una transición de fase ferromagnética en átomos de cesio gaseosos.

"Estudiamos las transiciones de fase porque es una de las cuestiones más fundamentales que nos desconcierta, "dijo Chin, coautor del artículo. "¿Cuál es el origen de la compleja estructura del universo, ¿Cómo surgen las imperfecciones y cómo los materiales idénticos desarrollan propiedades distintas a lo largo del tiempo? "

Cosmólogos que estudian el origen, evolución, La estructura y el futuro del universo también reflexionan sobre las transiciones de fase en el material porque informa su comprensión de lo que ocurrió a lo largo de la historia del universo, en particular durante su formación.

"Lo que aprendemos al probar KZM en nuestro sistema no se trata del origen del universo, "Dijo Chin." Más bien se trata de cómo se desarrolla una estructura compleja a través de una transición. Estas son dos preguntas diferentes pero relacionadas. Puedes preguntar:'¿De dónde viene la nieve?' o '¿Por qué los copos de nieve tienen una hermosa estructura de cristal?' Nuestra investigación se centra más en la segunda pregunta ".

Los hallazgos del experimento se pueden aplicar a muchos sistemas, como cristales líquidos, helio superfluido o incluso membranas celulares, que atraviesan transiciones de fase continua similares. "Todos ellos deberían compartir la misma simetría de escala de espacio-tiempo que vimos aquí, "dijo Logan Clark, estudiante de doctorado en física de la Universidad de Chicago y primer autor del artículo.

En el experimento, un vapor de átomos de cesio se enfrió mediante rayos láser, creando así un gas de cesio cuántico. Se utilizaron rayos láser adicionales para crear una red óptica que alineaba los átomos de gas en patrones. Se utilizaron ondas de sonido para agitar la red óptica e impulsar a los átomos a través de una transición de fase cuántica ferromagnética. Esto hizo que se dividieran en diferentes dominios con impulso positivo o negativo. Los investigadores encontraron que la estructura de los dominios resultantes era consistente con lo que habría predicho el mecanismo Kibble-Zurek.

"El gas cuántico que atraviesa la transición de fase en la red óptica de nuestro experimento es análogo a todo el universo temprano que cruza una transición de fase, ", Dijo Clark." Cualquier sistema que experimente una transición de fase continua debe compartir las propiedades que vimos en nuestro experimento ".

Los patrones que se formaban dependían de la rapidez con la que aumentaba la cantidad de sacudidas, dijo Lei Feng, estudiante de doctorado en física de la Universidad de Chicago y coautor del artículo. "Cuanto más rápido aumentaba el temblor, cuanto más pequeños son los dominios. El impulso de los átomos en diferentes regiones del fluido era visible a través del microscopio, para que pudiéramos ver qué tan grandes eran los dominios y contar el número de defectos entre ellos ".

Erich Mueller, profesor de física en la Universidad de Cornell que está familiarizado con la investigación, describió los hallazgos como "una demostración notable de la universalidad de la física".

"La misma teoría que se utiliza para explicar la formación de la estructura en el universo temprano también explica la formación de la estructura en los gases fríos" utilizados en sus experimentos, dijo Mueller, que no participó en el estudio.

El trabajo contribuye a la comprensión fundamental de la física, Dijo Chin. "Mientras los cosmólogos todavía están buscando evidencia del mecanismo Kibble-Zurek, nuestro equipo lo vio en nuestro laboratorio en muestras de átomos a temperaturas extremadamente bajas.

"Estamos en el camino correcto para investigar otros fenómenos cosmológicos intrigantes, no solo con un telescopio, pero también con microscopio, " Él concluyó.