Los campos de béisbol con curvas tienen cosas sorprendentes en común con las partículas cuánticas descritas en un nuevo estudio de física, aunque estos últimos vuelan de forma mucho más extraña.

De hecho, Las partículas apareadas ultrafrías llamadas fermiones deben comportarse aún más extraño de lo que los físicos pensaban anteriormente, según los físicos teóricos del Instituto de Tecnología de Georgia, que estudiaron matemáticamente sus patrones de vuelo. Ya, Las partículas cuánticas voladoras eran famosas por su rareza.

Para entender por qué comience con similitudes con una pelota de béisbol y luego agregue diferencias significativas.

Un lanzador imparte efecto, impulso, y energía a una pelota de béisbol al lanzar una bola curva, un cambio o un control deslizante. Los divertidos vuelos de los fermiones también están tallados por giros, Momentos y energías, sino también por poderosas excentricidades cuánticas como el entrelazamiento, que Albert Einstein una vez llamó "acción espeluznante a distancia" entre partículas cuánticas.

En el nuevo estudio, los investigadores incluso predijeron que las partículas pueden actuar como diferentes bolas cuánticas llamadas bosones para imitar la forma en que los fotones, o partículas de luz, mosca. A continuación se ofrece una explicación simplificada de estas partículas apareadas ultrafrías y sus extraños vuelos.

Modelado de materia ligera

Todas esas influencias se combinan para dar a los fermiones un repertorio de trayectorias mucho más extraño que el de cualquier lanzador de béisbol maestro. y el nuevo estudio lo traza y abre nuevas formas de observarlo experimentalmente. El equipo de Georgia Tech adoptó el enfoque poco convencional de agregar ideas ópticas cuánticas, o similares a la luz, a sus cálculos predictivos de estas partículas de materia y llegó a levantar las cejas, resultados reveladores.

"El comportamiento de las partículas que predijimos es simplemente esquizofrénico, "dijo Uzi Landman, Profesor del Instituto y de los Regentes y Cátedra de F.E. Callaway en la Escuela de Física de Georgia Tech.

Los detalles matemáticos y teóricos se pueden encontrar en el estudio de la revista. Revisión física A , que Landman, primer autor Benedikt Brandt, quien es un asistente de investigación graduado, y el científico senior Constantine Yannouleas publicó el 4 de mayo, 2018. Su investigación fue financiada por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.

Explicación de los fermiones voladores

Trazar bolas curvas cuánticas es contradictorio por naturaleza con conceptos como fermiones, bosones, giros, enredo espeluznante, y dualidad partícula-onda. Entonces, vayamos paso a paso para comprenderlos y los conocimientos del estudio.

El juego de pelota gira en torno a pares de fermiones. Los fermiones pueden ser partículas subatómicas o átomos completos. En este caso, los físicos modelaron usando átomos.

El término fermión se refiere a las propiedades estadísticas cuánticas que tiene la partícula en oposición a las propiedades de su contraparte llamada bosón, en particular, el giro de la partícula, que se llama medio entero para fermiones y entero completo para bosones. (Estos giros no son exactamente como los de una pelota. Para obtener más información, ver:Fermiones y bosones para tontos.)

"Los fotones y los bosones de Higgs son ejemplos de bosones, ", Dijo Landman." Los bosones son gregarios:dos o más bosones pueden compartir exactamente el mismo espacio. Esto permite que muchos de ellos se superpongan entre sí en el mismo lugar diminuto ".

"Fermiones, por otra parte, son distantes. Reclaman su propio espacio, y no lo comparta con otras partículas. Los fermiones se pueden apilar unos sobre otros, pero no ocupan el mismo espacio ".

Electrones protones, neutrones, y algunos átomos son ejemplos comunes de fermiones.

Pelotas de béisbol con pinzas láser

El estudio teórico prevé dos átomos fermiónicos que comienzan cuidadosamente sostenidos uno al lado del otro por dos pares de "pinzas" hechas de rayos láser que se cruzan, como se hace realmente en los experimentos de física aplicables. En la configuración teórica del estudio, También se utilizarían láseres y campos magnéticos especiales para ralentizar los fermiones hasta casi detenerlos, haciéndolos "ultrafríos" a 0.000000001 grados Kelvin, o -273,15 grados Celsius (-459,67 grados Fahrenheit).

Eso es una astilla por encima del cero absoluto la temperatura más baja posible en el universo, y las partículas que frías hacen cosas raras.

"El movimiento de una partícula suele ser frenético, pero el enfriamiento lo ralentiza casi hasta detenerse, "dijo Landman, quien también es director del Georgia Tech Center for Computational Materials Science. "Y estas partículas también tienen propiedades de onda, y a esa temperatura, la longitud de onda crece enormemente ".

"Las ondas adquieren un tamaño de micrones. Eso sería como un guijarro que creciera hasta llegar a ser un tercio del tamaño de este país. Cuando eso suceda, el átomo se vuelve realmente visible bajo un microscopio óptico ".

El tamaño inflado hace que sea más fácil para los investigadores conocer la ubicación de inicio de las dos partículas. Cuando apagan las pinzas láser, los fermiones se van volando. Las propiedades de onda de las partículas también tienen mucho que ver con sus extraños vuelos.

"Una partícula en movimiento actuará como un proyectil en determinadas circunstancias. Pero en otras, se comportará como una ola, ", Dijo Landman." Lo llamamos la dualidad del mundo cuántico ".

Juntos o separados

"Si configura dos detectores en diferentes posiciones pero a la misma distancia del par de partículas, la frecuencia con la que los dos vuelan hacia el mismo detector o la frecuencia con la que vuelan hacia detectores separados dice mucho sobre esas partículas, ", Dijo Landman." Y ahí es donde entran nuestros extraños hallazgos ".

Se espera que los fermiones vuelen de manera diferente a los bosones, pero el estudio de los físicos teóricos sobre los fermiones revisa esta idea. Dependiendo del grado de entrelazamiento cuántico entre los dos fermiones antes de su liberación y dependiendo de su nivel de energía, pueden actuar como fermiones o actuar como bosones.

"Esto agrega una nueva rareza a la dualidad esquizofrénica partícula-onda ya establecida, ", Dijo Landman.

"Un par de fotones (que son bosones) vuelan al mismo lugar. Se quedan como un par, ", Dijo Landman." Son animales sociales, y los encuentra a ambos en un detector o ambos en el otro. A este fenómeno lo llamamos 'agrupamiento' ".

Rutas de vuelo raras

A menudo se espera que los fermiones hagan lo contrario, denominado anti-agrupamiento, pero según el estudio, cómo vuelan depende de si tienen o no una interacción espeluznante y, si es así, si la interacción es atractiva o repulsiva.

"Si están interactuando, y dependiendo del nivel de energía inicial, predecimos que pueden hacer cosas extrañas cuando vuelan, ", Dijo Landman." Eso es nuevo ".

"En el nivel de energía base, llamado estado fundamental, Nuestros dos fermiones que interactúan con una repulsión ultra fuerte se comportan fermiónicamente, lo que significa que se evitan el uno al otro. Ahora, si interactúan con una fuerte atracción, se agregan como lo hacen los bosones, ", Dijo Landman." Hasta ahora, todo como se esperaba ".

Pero aumentando el nivel de energía de las partículas atrapadas, o excitación, mediante un láser adicional o un campo magnético, parecería aumentar la rareza de las partículas. Los niveles de excitación pueden torcer las reglas de lo que hacen las interacciones en el vuelo de un fermión, según el estudio teórico.

Por ejemplo, el comportamiento fermiónico mencionado anteriormente generalmente conectado con una fuerte interacción repulsiva podría volverse bosónico, según los cálculos de los físicos. En otras palabras, las dos partículas volarían al mismo detector como lo hacen los bosones.

Esquizofrenia cuántica ordenada

"Tan loco como parece todo esto, parece haber una gran confiabilidad en estos comportamientos que incluso podrían ser manipulados de manera predecible y práctica, ", Dijo Landman.

Como con un lanzador que afina el camino de un loco, Los físicos podrían determinar el extraño vuelo de un fermión utilizando la formulación de la mecánica cuántica, simulación computacional avanzada, y experimentación, dijo el estudio.

"Parece que incluso puedes diseñar lo que hace esta rareza cuántica, ", Dijo Landman." Si conoce los estados de las partículas de manera confiable, es posible que pueda utilizarlos como recurso para cálculos cuánticos y almacenamiento y recuperación de información ".