Un nuevo estudio teórico en la Universidad de Monash ha mejorado nuestra comprensión de la interacción entre las fluctuaciones (o excitaciones) cuánticas y térmicas en la materia cuántica.

El estudio encontró que una impureza dentro de un condensado de Bose-Einstein (BEC) exhibe un espectro de energía intrigante a medida que su temperatura se eleva por encima de cero kelvin, con la cuasipartícula del estado fundamental dividiéndose en varias ramas que dependen de las interacciones con la nube térmica que rodea al BEC.

"El modelo demostró que el número de ramas de cuasipartículas se establece simplemente por el número de excitaciones de los huecos de la nube térmica, "explica el autor principal, Bernard Field.

"Es decir, incluyendo hasta un hoyo rinde un split, dos agujeros producen dos fracturas, etcétera, "dice Bernard, quien es estudiante de doctorado en la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad de Monash.

Los gases atómicos fríos como un 'banco de pruebas perfecto'

Los gases atómicos fríos se utilizan para estudiar los efectos de las impurezas acopladas a un medio cuántico, un escenario que es relevante para todo, desde los transistores de efecto de campo hasta el comportamiento de los protones en las estrellas de neutrones.

Los gases atómicos fríos proporcionan un sistema especialmente limpio y flexible para sondear el comportamiento de las impurezas cuánticas, permitiendo que las interacciones impureza-medio se varíen de un acoplamiento débil a fuerte y revelando la manera en que la impureza se "reviste" por las excitaciones del medio.

Específicamente, el nuevo estudio se centra en las impurezas en un BEC, denominado polarón Bose.

Estudios anteriores habían predicho que el espectro de energía de un polarón Bose se dividiría en dos ramas pares con cualquier aumento de temperatura por encima de cero kelvin.

El estudio de Monash encontró que este resultado es una consecuencia de asumir solo una excitación del medio por un solo orificio de partícula. Cuando se incluyen más agujeros, el resultado es más dividido.

"Dado que puede haber una gran cantidad de excitaciones en un sistema real, esperamos que el polarón Bose real aparezca como un solo pico ancho a bajas temperaturas, "explica A / Prof Meera Parish.

"Sin embargo, sorprendentemente, encontramos que el comportamiento es fundamentalmente diferente de lo que uno podría esperar de las teorías estándar de fluctuaciones cuánticas y transiciones de fase cuántica ".

Los investigadores hacen uso de un elegante enfoque variacional que incluye correlaciones multicuerpo entre la impureza y el BEC, yendo así más allá del estado actual de la técnica en el campo. Más destacado, su resultado teórico para la energía del estado fundamental del polarón de Bose está en excelente acuerdo con el modelado cuántico más intensivo numéricamente y con los experimentos.

El destino del polarón Bose a temperatura finita se publicó en la revista. Revisión física A en enero de 2020