Las transiciones de fase describen cambios dramáticos en las propiedades de un sistema macroscópico, como la transición de un líquido a un gas. A partir de átomos ultrafríos individuales, Los físicos de la Universidad de Heidelberg pudieron observar el surgimiento de tal transición con un número creciente de partículas. El trabajo de investigación se llevó a cabo en el campo de la física cuántica bajo la dirección del Prof. Dr. Selim Jochim del Instituto de Física.

Para formular teorías efectivas en física, Los detalles microscópicos se dejan de lado en favor de cantidades observables macroscópicamente. Una taza de agua se puede describir por propiedades como presión, temperatura y densidad del fluido, mientras que la posición y la velocidad de las moléculas de agua individuales son irrelevantes. Una transición de fase describe el cambio de un sistema macroscópico de un estado de la materia, como fluido, a un estado diferente de la materia, como gaseoso. Las propiedades de los sistemas macroscópicos, los llamados sistemas de muchos cuerpos, pueden describirse como emergentes porque resultan de la interacción de componentes individuales que por sí mismos no poseen estas propiedades.

"Hace mucho que me interesa la forma en que este dramático cambio macroscópico en una transición de fase surge de la descripción microscópica, ", afirma Selim Jochim. Para responder a esta pregunta, los investigadores diseñaron un experimento en el que ensamblaron un sistema a partir de átomos ultrafríos individuales. Usando este simulador cuántico, investigaron cómo surge el comportamiento colectivo en un sistema microscópico. Para tal fin, atraparon hasta doce átomos en un rayo láser bien enfocado. En este sistema artificial es posible ajustar continuamente la fuerza de interacción entre los átomos de no interactuar a ser la escala de energía más grande del sistema. "Por un lado, el número de partículas en el sistema es lo suficientemente pequeño como para describir el sistema microscópicamente. Por otra parte, los efectos colectivos ya son evidentes, "explica Luca Bayha, un postdoctorado en el equipo del Prof. Jochim.

En su experimento, los físicos de Heidelberg configuraron el simulador cuántico de modo que los átomos se atraigan entre sí, y si la atracción es lo suficientemente fuerte, formar parejas. Estos pares de átomos son el ingrediente necesario para una transición de fase a un superfluido, un estado en el que las partículas fluyen sin fricción. Los experimentos actuales se centraron en cuándo surge la formación de pares en función de la fuerza de interacción y el número de partículas. "El sorprendente resultado de nuestro experimento es que solo seis átomos muestran todas las firmas de una transición de fase esperada para un sistema de muchas partículas, "agrega Marvin Holten, estudiante de doctorado en el grupo del Prof. Jochim.