Sonido que se propaga en un gas Fermi bidimensional. La imagen muestra la densidad del gas en el tiempo, poco después de que se haya excitado una onda de sonido. Los valores de rojo oscuro corresponden a una alta densidad, valores más ligeros a una densidad baja. Se puede ver una ola viajando hacia arriba y hacia abajo entre los límites del gas varias veces a medida que el tiempo avanza hacia la derecha. No se muestra:la amortiguación de la onda de sonido es más baja donde las partículas del gas interactúan con más fuerza. Crédito:Bohlen et al.
Cuando se crea o descubre un nuevo sistema físico, los investigadores generalmente lo estudian en profundidad para descubrir sus propiedades y características distintivas. Por ejemplo, podrían intentar determinar cómo reacciona el sistema cuando se ve perturbado, y de qué manera esta perturbación se propaga típicamente a través de ella.
Para explicar esto en términos más simples, un investigador podría investigar cómo diferentes fluidos (por ejemplo, agua, petróleo, o miel) responden cuando se les arroja una piedra. En estos casos, arrojar una piedra normalmente conduciría a la formación de olas, que luego se amortiguaría a diferentes tasas / velocidades, dependiendo de la viscosidad del fluido en cuestión.
Un caso similar es el de las excitaciones de densidad en gases. Se trata esencialmente de aumentos de densidad que se propagan a través de un gas en forma de ondas sonoras.
Investigadores de la Universidad de Hamburgo y la Universidad de Heidelberg en Alemania han llevado a cabo recientemente un estudio destinado a descubrir las propiedades termodinámicas y de transporte de un gas Fermi 2-D al examinar cómo se propagan y amortiguan las ondas sonoras. Su papel publicado en Cartas de revisión física , muestra que el sistema que crearon y examinaron es un sistema modelo casi perfecto para investigar la física de correlaciones fuertes en dimensiones reducidas.
"Nuestro experimento se encuentra entre los pocos en todo el mundo en los que se producen e investigan gases de Fermi 2-D ultrafríos, "Markus Bohlen, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Estos sistemas son cautivadores:la interacción de interacciones fuertes y dimensionalidad reducida conduce a fenómenos fascinantes, pero también complica los enfoques teóricos. Aquí, Los experimentos de gases cuánticos proporcionan información valiosa y permiten estudiar estos sistemas en un entorno limpio y controlado ".
En sus experimentos, Bohlen y sus colegas se propusieron medir la velocidad del sonido y la atenuación del sonido en un gas Fermi 2-D ultrafrío, ya que esto a su vez les permitiría probar sus propiedades de excitación. Para hacer esto, se centraron específicamente en la propagación y amortiguación de las ondas sonoras en el gas.
"Las ondas sonoras son oscilaciones de densidad, temperatura, presión, así como otras variables termodinámicas, "Explicó Bohlen." Estas variables no son independientes, sino que se relacionan entre sí a través de una denominada ecuación de estado. La ecuación de estado determina el comportamiento termodinámico del sistema, p.ej., ¿Cuánto más denso o más caliente se pone un gas cuando se comprime? "
En su estudio, Bohlen y sus colegas extrajeron la ecuación de estado de compresibilidad del gas Fermi 2-D a partir de la velocidad de las ondas sonoras que se propagan en su interior. La teoría de la física sugiere que las ondas más rápidas viajan dentro de un sistema, cuanto más rígido debe ser el sistema (es decir, menor debe ser su compresibilidad).
"Un sistema que se excita fuera de equilibrio eventualmente se relajará de nuevo a su estado de equilibrio, "Dijo Bohlen." En un gas que interactúa fuertemente, la velocidad de relajación está determinada por la viscosidad del gas y la conductividad térmica. Estos denominados coeficientes de transporte describen la rapidez con la que se equilibran las diferencias de velocidad o temperatura a través del medio. Midiendo la tasa de amortiguación del sonido en nuestro gas, por tanto, podemos inferir información sobre estos coeficientes de transporte ".
Las mediciones recopiladas por los investigadores dieron lugar a una serie de observaciones interesantes. Primero, Bohlen y sus colegas observaron que en el gas Fermi 2-D, las ondas sonoras se amortiguaron al menos en el régimen en el que los átomos interactuaban con más fuerza. Estos hallazgos pueden parecer contradictorios, como cabría esperar, las colisiones entre partículas reducirían el movimiento de las ondas. Contrariamente esto solo ocurre en los casos en que hay relativamente pocas colisiones.
Si las interacciones entre partículas son muy fuertes, sin embargo, como en el experimento de los investigadores, la situación cambia drásticamente. Esto se debe a que las frecuentes colisiones entre partículas en realidad impiden la dispersión de energía y, por lo tanto, inhiben la disipación en lugar de aumentarla.
"En el régimen en el que nos enfocamos, los coeficientes de transporte tienden hacia un límite determinado por la mecánica cuántica, que ha sido conjeturado en el contexto de las teorías cuánticas de campo y observado para diferentes coeficientes de transporte en varios sistemas, ", Dijo Bohlen." Podríamos confirmar que este límite se obedece en el caso de difusión de sonido en gases de Fermi 2-D ".
Estos hallazgos arrojan algo de luz sobre cómo las ondas sonoras se propagan y disminuyen dentro de un gas Fermi 2-D ultrafrío. revelando así algunas de sus propiedades termodinámicas y de transporte. En el futuro, el gas examinado en su artículo podría usarse para probar la validez de las teorías y modelos físicos relacionados con los gases de Fermi que interactúan fuertemente. Mientras tanto, Bohlen y sus colegas planean realizar nuevos estudios que investiguen la superfluidez en el mismo gas Fermi 2-D examinado en su artículo reciente.
"La superfluidez (y la superconductividad) está estrechamente relacionada con la existencia del llamado orden de largo alcance, "Explicó Bohlen." En geometrías 2-D, este orden de largo alcance está prohibido, sin embargo, parece que para todos los materiales que muestran superconductividad a altas temperaturas, Las estructuras 2-D juegan un papel crucial. Recientemente hemos demostrado que nuestro sistema 2-D es, Por supuesto, un superfluido, y nos gustaría arrojar luz sobre el papel de la dimensionalidad para la robustez de la superfluidez ".
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