En el mundo de la investigación, Se entiende por difusión un proceso en el que partículas diminutas se dispersan uniformemente por un gas o líquido. Aunque estos medios están formados por partículas individuales, la difusión se percibe como un proceso continuo. Hasta aquí, no se habían observado los efectos de una colisión individual entre partículas, la piedra angular de la difusión. Ahora, Los físicos de Kaiserslautern y Erlangen han logrado observar los pasos fundamentales de la difusión de átomos individuales en un gas y han proporcionado una descripción teórica de este mecanismo. El estudio ha sido publicado en la reconocida revista Cartas de revisión física .
Hace casi doscientos años, el médico e investigador escocés Robert Brown observó que las partículas de polen tiemblan cuando se mueven a través de un líquido. Pequeñas particulas, como moléculas o átomos, exhiben un comportamiento similar al dispersarse en gases y líquidos. Como resultado de una gran cantidad de colisiones aleatorias, las partículas muestran un patrón de movimientos en zigzag que hace que se mezclen varias sustancias. Los científicos se refieren a estos movimientos en zigzag como "movimiento browniano" ya la dispersión y mezcla de varias sustancias como difusión.
"La difusión es un fenómeno clave en muchas áreas de la ciencia y constituye la base de numerosos procesos de transporte, por ejemplo, en células vivas o dispositivos de almacenamiento de energía, "dice el profesor Artur Widera, quien lleva a cabo investigaciones sobre la física cuántica de átomos individuales y gases cuánticos ultrafríos en TU Kaiserslautern. "Por eso es importante comprender los procesos de difusión en casi todas las áreas de las ciencias de la vida, las ciencias naturales, y desarrollo tecnológico ".
Un fácil, Se puede obtener una comprensión simplificada de la difusión sin tener en cuenta las colisiones individuales entre partículas. "En este contexto, también hablamos de un medio continuo con, por ejemplo, una partícula más grande que se difunde en él. Esta simplificación se vuelve aún más precisa a medida que la masa de las partículas en el medio se vuelve más pequeña y la frecuencia de las colisiones aumenta. "dice el Dr. Michael Hohmann, quien es investigador del grupo del profesor Widera y primer autor de este estudio. Un ejemplo cotidiano es la niebla que también puede verse como un medio de este tipo, aunque en realidad consiste en pequeñas gotas de agua individuales.
Por sus experimentos, los físicos que trabajaban con Widera modificaron las condiciones que caracterizan a un medio continuo:"En lugar de partículas grandes, como el polen, estudiamos la difusión de átomos individuales que tienen casi la misma masa que los átomos del gas. Es más, usamos un muy frío, diluir el gas para reducir drásticamente la frecuencia de las colisiones, "explica Hohmann. Al hacerlo, los investigadores de Kaiserslautern observaron, por primera vez, cómo los átomos de cesio se difunden a una temperatura cercana al cero absoluto en un gas formado por átomos de rubidio. "Son temperaturas que ningún frigorífico puede reproducir, así que usamos rayos láser para enfriar los átomos y mantenerlos en su lugar en un aparato de vacío. Esto ralentizó la difusión hasta tal punto que se pudo observar el efecto de las colisiones individuales, "explica el profesor Widera con respecto a la configuración experimental.
Para la descripción teórica del experimento, los investigadores de Kaiserslautern recibieron ayuda de su colega, el profesor Eric Lutz, profesor de física teórica en la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), quien les ayudó a desarrollar el modelado matemático. "Con el nuevo modelo, ahora podemos describir los movimientos de los átomos con mayor precisión, "dice el investigador de Erlangen. Juntos, demostraron que es suficiente alterar el coeficiente de fricción en el cálculo teórico del modelo continuo. Al hacerlo, También es posible describir casos que no involucran un medio continuo, como en el experimento anterior. Ejemplos de tales casos incluyen cuando los aerosoles (mezclas de partículas en suspensión) se dispersan en finas capas de aire en la atmósfera superior, en el espacio interestelar o en sistemas de vacío.
