Representación artística del experimento realizado por los investigadores. En el futuro, planean extender sus métodos de análisis e imágenes a sistemas interactivos, estudiar el apareamiento y la superfluidez en sistemas de Fermi mesoscópicos fuertemente correlacionados. Créditos:Jonas Ahlstedt, Centro de Bioimagen de Lund (LIBC).
El principio de exclusión de Pauli es una ley de la mecánica cuántica introducida por el físico austriaco Wolfgang Pauli, que ofrece información valiosa sobre la estructura de la materia. Más específicamente, el principio de Pauli establece que dos o más fermiones idénticos no pueden ocupar simultáneamente el mismo estado cuántico dentro de un sistema cuántico.
Investigadores del Instituto de Física de la Universidad de Heidelberg han observado recientemente este principio directamente en un sistema continuo compuesto por hasta seis partículas. Su experimento esbozado en un artículo publicado en Cartas de revisión física , podría allanar el camino hacia una mejor comprensión de los sistemas que interactúan fuertemente compuestos por fermiones.
"La visión de estudiar sistemas complejos de muchos cuerpos a partir de pequeños, bien entendido, Building blocks tiene una larga historia en nuestro grupo, "Luca Bayha y Marvin Holten, dos de los investigadores que llevaron a cabo el estudio reciente, le dijo a Phys.org por correo electrónico. "Esto comenzó con experimentos en los que formamos un mar fermi, un átomo a la vez, culminando en uno de nuestros últimos estudios donde pudimos observar signos de una transición de fase cuántica en sistemas de tan solo seis átomos ".
En años recientes, Bayha, Holten y sus colegas se esforzaron mucho en desarrollar una nueva técnica que les permite obtener imágenes de átomos individuales en sistemas mesoscópicos, para examinarlos con más detalle. En su estudio reciente, aplicaron esta técnica a sistemas continuos de hasta seis átomos fermiónicos que no interactúan por primera vez.
El cristal de Pauli muestra en qué configuración se alinean tres átomos fermiónicos en una trampa armónica bidimensional con mayor frecuencia. Las fuertes correlaciones entre las posiciones relativas de las partículas que no interactúan son el resultado del principio de exclusión de Pauli. La imagen se creó analizando varios miles de imágenes experimentales con resolución de un solo átomo. Créditos:Selim Jochim Group, Universidad de Heidelberg.
"El objetivo principal de nuestro estudio fue observar correlaciones de orden superior en un sistema continuo, "Dijeron Bayha y Holten." El sistema que no interactúa actúa como un punto de partida ideal para comparar nuestro experimento ".
En 2016, un grupo de investigación dirigido por Mariusz Gajda propuso por primera vez que las correlaciones de orden superior podrían visualizarse como "cristales de Pauli". Los cristales de Pauli son hermosos patrones que pueden emerger en una nube de fermiones atrapados y que no interactúan.
Hasta aquí, Bayha, Holten y sus colegas observaron estos patrones en sistemas que contienen hasta seis partículas. En el futuro cercano, sin embargo, esperan realizar más experimentos con más partículas e interacciones fuertes. Esto les permitiría examinar más a fondo el emparejamiento y la superfluidez en sistemas 2-D.
"La observación directa del principio de Pauli en sistemas continuos impone requisitos bastante desafiantes al experimento, "Bayha y Holten explicaron." El sistema tiene que estar lo suficientemente frío y controlado en escalas de energía absoluta muy bajas. Sólo entonces, las funciones de onda de las partículas individuales se superponen y su naturaleza fermiónica se vuelve importante ".
El cristal de Pauli muestra en qué configuración se alinean con mayor frecuencia seis átomos fermiónicos en una trampa armónica bidimensional. Las fuertes correlaciones entre las posiciones relativas de las partículas que no interactúan son el resultado del principio de exclusión de Pauli. La imagen se creó analizando varios miles de imágenes experimentales con resolución de un solo átomo. Créditos:Selim Jochim Group, Universidad de Heidelberg.
Para asegurarse de que pudieran observar directamente el principio de Pauli en sistemas continuos, los investigadores perfeccionaron una técnica de enfriamiento en la que fueron pioneros hace unos años. Esta técnica permite la eliminación de todos los átomos "calientes" con energías más altas de un sistema de forma determinista. Al eliminar estos átomos, los investigadores pudieron preparar el terreno del sistema (es decir, estado de energía más baja) con altos niveles de fidelidad.
Después de enfriar un sistema lo suficiente, Bayha, Holten y sus colegas necesitaban recopilar observaciones con una resolución de un solo átomo y una alta fidelidad de detección, observar el principio de Pauli. Lo lograron dejando que la nube de átomos se expandiera durante un tiempo determinado antes de tomar una imagen.
Representación de la configuración experimental (no a escala). Los átomos están atrapados en un solo sitio de una atractiva hoja de luz ("panqueque") superpuesta con una pinza óptica bien enfocada. Se obtienen imágenes del sistema con resolución de un solo átomo a través de un objetivo de alta resolución (arriba). Créditos:Selim Jochim Group, Universidad de Heidelberg.
"El método que usamos magnifica efectivamente el sistema en un factor de 50, "Dijeron Bayha y Holten." Luego iluminamos la nube con dos rayos láser opuestos y recolectamos fotones dispersos en una cámara extremadamente sensible que detecta casi todos los fotones que impactan en el chip. Juntos, estos métodos nos permiten resolver átomos individuales con probabilidades de detección del orden del 99% ".
Imagen de la configuración experimental de los investigadores. La cámara de vacío principal con forma de octágono se encuentra en el centro de la imagen. Aquí, una pinza óptica se superpone con una trampa de hoja de luz ("panqueque") para crear una geometría de captura bidimensional para los átomos. Créditos:Selim Jochim Group, Universidad de Heidelberg.
Las observaciones recopiladas por este equipo de investigadores demuestran que la correlación entre partículas individuales también se puede observar en sistemas continuos, en el que las funciones de onda de las partículas individuales se superponen. Hasta aquí, el Bayha, Holten y sus colegas utilizaron la técnica que desarrollaron para observar los cristales de Pauli, que son hermosas visualizaciones del principio de Pauli. Sin embargo, la misma técnica pronto también podría usarse para explorar otros sistemas de muchos cuerpos fuertemente correlacionados.
Imagen única de seis átomos fermiónicos confinados en una trampa de oscilador armónico bidimensional. La imagen se ha tomado después de una expansión del sistema para aumentar la resolución efectiva. Créditos:Selim Jochim Group, Universidad de Heidelberg.
"Ahora planeamos extender el método de imágenes a los sistemas que interactúan, "Holten y Bayha dijeron." Aquí, las correlaciones entre las partículas no surgen por el principio de Pauli sino por interacciones. Esto nos permitirá sondear cómo surgen las correlaciones en los sistemas que interactúan a nivel microscópico y brindar nuevos conocimientos sobre la materia fermiónica y los superfluidos que interactúan fuertemente ".
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