Una foto de la configuración experimental utilizada para realizar estudios precisos de la física universal en una muestra atómica ultra fría. Una miríada de elementos (incluidos láseres, componentes ópticos, bobinas de campo magnético, y antenas de RF) se utilizan para capturar átomos de una fuente de vapor de potasio caliente (alrededor de 400 Kelvin) (la cámara se muestra en la parte superior derecha), enfriar la muestra de gas a temperaturas ultrafrías (alrededor de 10 ^ -8 Kelvin) en la cámara de vacío ultra alto (arriba a la izquierda), manipulando los estados cuánticos, realizar espectroscopia de precisión, e imágenes de nubes ultrafrías. Crédito de la figura:Roman Chapurin.
El concepto de física universal es intrigante, ya que permite a los investigadores relacionar fenómenos físicos en una variedad de sistemas, independientemente de sus diversas características y complejidades. Los sistemas atómicos ultrafríos a menudo se perciben como plataformas ideales para explorar la física universal, debido al control preciso de los parámetros experimentales (como la fuerza de interacción, temperatura, densidad, estados cuánticos, dimensionalidad, y el potencial de captura) que podría ser más difícil de sintonizar en sistemas más convencionales. De hecho, Los sistemas atómicos ultrafríos se han utilizado para comprender mejor una gran variedad de comportamientos físicos complejos, incluyendo esos temas en cosmología, partícula, nuclear, física molecular, y más notablemente, en la física de la materia condensada, donde las complejidades de los fenómenos cuánticos de muchos cuerpos son más difíciles de investigar utilizando enfoques más tradicionales.
Comprender la aplicabilidad y la solidez de la física universal es, por tanto, de gran interés. Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Colorado Boulder han llevado a cabo un estudio, presentado recientemente en Cartas de revisión física , destinado a probar los límites de la universalidad en un sistema ultrafrío.
"A diferencia de otros sistemas físicos, La belleza de los sistemas ultrafríos es que a veces podemos descartar la importancia de la tabla periódica y demostrar el fenómeno similar con cualquier especie atómica elegida (ya sea potasio, rubidio, litio, estroncio, etc.), "Roman Chapurin, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "El comportamiento universal es independiente de los detalles microscópicos. Comprender las limitaciones del fenómeno universal es de gran interés".
Debido a la naturaleza de interacciones de pocos cuerpos en la mayoría de los sistemas ultrafríos, los investigadores deben adquirir un mejor conocimiento de la física de pocas partículas para comprender mejor los complejos fenómenos ultrafríos de muchos cuerpos. El equipo de NIST y CU Boulder se centró en explorar los límites de la universalidad en un fenómeno universal de pocos cuerpos llamado física de Efimov.
Inicialmente teorizado en el contexto de la física nuclear, Este exótico fenómeno cuántico predice que las interacciones fuertes de dos cuerpos pueden mediar en la atracción de tres cuerpos y formar estados de tres cuerpos débilmente ligados llamados trímeros de Efimov. De hecho, hay un número infinito de trímeros Efimov, cuyos tamaños y energías se relacionan entre sí por un factor numérico universal.
Además de esta escala universal, Los investigadores observaron más tarde que en los sistemas atómicos, todos los tamaños de trimmer Efimov son iguales (en unidades reescaladas), independientemente de la especie atómica elegida o de los detalles exactos en las interacciones subyacentes de dos cuerpos que median las fuerzas de tres cuerpos en la física de Efimov. El último aspecto universal de la física de Efimov se conoce como "universalidad de van der Waals, "y se consideró cierto hasta el estudio reciente.
"La importancia de la universalidad en la física de Efimov es que somos capaces de comprender y predecir la imagen de interacción completa de pocos cuerpos hasta escalas de gran longitud arbitrarias," dado sólo un amplio conocimiento de la física de dos cuerpos, ", Dijo Chapurin." Nuestra medición muestra que no siempre es así, demostrando la primera desviación de la universalidad de van der Waals y probando los límites de la física universal en un sistema de pocos cuerpos ".
Una visualización de los trímeros de Efimov, cuya atracción de tres cuerpos está mediada por las fuerzas de dos cuerpos de largo alcance, representado por el color dorado. A pesar de los complejos detalles y la individualidad de determinadas especies atómicas, representado por diferentes poliedros en los núcleos, estos trimers tienen formas y tamaños similares, representando la universalidad. El indicio de una grieta en la naturaleza universal, como lo observaron por primera vez los investigadores del estudio, se representa por una sutil diferencia de tamaño del trímero en el centro. Crédito de la figura:Steven Burrows, JILA.
Chapurin y sus colegas realizaron mediciones precisas de pocos cuerpos para determinar las propiedades de los trímeros de Efimov en un gas de potasio ultrafrío. El alto grado de control sobre los parámetros experimentales, junto con pocos errores estadísticos y sistemáticos, les permitió encontrar la primera evidencia convincente de trímeros Efimov no universales. Los investigadores descubrieron trímeros de Efimov con tamaños que son significativamente más grandes de lo que predice la teoría universal.
"Nuestras medidas, con una precisión sin precedentes, reveló un resultado sorprendente:la primera desviación definitiva de la universalidad de van der Waals, ", Dijo Chapurin." Medimos los tamaños del trímero de Efimov para que sean diferentes de lo que predice la teoría universal y diferentes de todas las mediciones anteriores en diferentes especies atómicas ".
Para comprender mejor sus observaciones, los investigadores desarrollaron un nuevo modelo teórico de tres cuerpos. Su modelo sugiere que en raras circunstancias, los detalles microscópicos / finos del problema (en este caso, las complejas interacciones de espín) pueden afectar drásticamente a los observables macroscópicos, como el tamaño de los trímeros de Efimov.
"Descubrimos que un modelo refinado de tres cuerpos basado en nuestras medidas precisas de interacciones de dos cuerpos, posiblemente la medición más precisa de la física de dos cuerpos en un sistema ultrafrío, puede explicar el resultado no universal observado, "Chapurin explicó." En esta rara ocurrencia, los finos y complejos detalles microscópicos de las interacciones rompen la naturaleza universal de la física de Efimov ".
Aunque las observaciones experimentales apuntan claramente a una fuerte desviación de la universalidad de van der Waals, "no todo lo universal se pierde, "según José D'Incao, también investigador en el estudio. Añadió que:"una de las premisas de la universalidad aún persiste:al saber sólo cómo interactúan dos átomos, se pueden derivar todas las propiedades de baja energía de los sistemas triatómicos Efimov, sin la necesidad de referirse a las fuerzas químicas de tres cuerpos más tradicionales y complicadas ".
El estudio llevado a cabo por Chapurin y sus colegas reunió nuevas observaciones fascinantes que podrían mejorar la comprensión actual de la universalidad en la física de pocos cuerpos. Aunque los investigadores pudieron proporcionar una explicación tentativa, muchas preguntas quedan sin respuesta.
Por ejemplo, mientras que su artículo ofrece información sobre la desviación observada de la universalidad del primer estado de Efimov, el efecto de una física microscópica tan compleja en los estados consecutivos de Efimov (en la serie infinita de Efimov) sigue siendo una cuestión abierta. Los estudios de estos estados consecutivos débilmente ligados requieren temperaturas cada vez más frías (menos de una milmillonésima de grado por encima del cero absoluto) que se logran mejor en un entorno de microgravedad. El equipo, que forma parte de la colaboración más amplia de JILA, Espero abordar esta cuestión realizando experimentos futuros en el Laboratorio de Átomo Frío de la Estación Espacial Internacional.
© 2020 Science X Network
