Un "cubo" de contención (en rojo) contiene el condensado de materia ligera (azul). Crédito:FLOTA
El 'chapoteo' de un fluido cuántico compuesto de luz y materia revela propiedades superfluidas.
Un equipo de físicos liderado por Australia ha creado con éxito líquidos cuánticos en un "cubo" formado por láseres de contención.
"Se espera que estos fluidos cuánticos sean tan ondulados como los océanos, pero capturar imágenes claras de las olas es un desafío experimental, "dice el autor principal, el Dr. Eliezer Estrecho.
Dirigido por la Universidad Nacional de Australia (ANU), el equipo observó por casualidad el movimiento ondulado del fluido cuántico en un cubo controlado ópticamente, obteniendo nuevos conocimientos sobre las intrigantes propiedades superfluidas de este peculiar, sistema híbrido de materia ligera.
La superfluidez es el flujo de partículas sin sufrir resistencia, y es perseguido por los investigadores de FLEET para futuras aplicaciones en electrónica de energía ultrabaja.
Llenar el cubo con el fluido cuántico llevó a chapotear
El equipo realizó los experimentos en un 'cubo' hecho con láser que atrapa partículas llamadas excitones-polaritones, que son partículas híbridas de materia ligera en un semiconductor.
Fluido cuántico chapoteando en el espacio de posición (izquierda) y el espacio de momento (derecha). Reducido 100 millones de veces. Crédito:FLOTA
A medida que estas partículas se enfrían, forman un objeto cuántico gigante llamado condensado de Bose-Einstein (a veces denominado el quinto estado de la materia), en el que los fenómenos cuánticos se pueden ver a escala macroscópica.
"El exceso de energía perdida por las partículas de enfriamiento no desaparece fácilmente, por lo que el condensado mostrará algún tipo de comportamiento ondulado, que es aleatorio para cada realización de la condensación, "dice la autora correspondiente, la profesora Elena Ostrovskaya.
Esa aleatoriedad dificulta la detección de oscilaciones transitorias con las cámaras de imágenes, ya que promediará en el experimento.
Sin embargo, fortuitamente, el 'cubo' está inclinado.
"En la mayoría de los experimentos, tratamos de evitar la inclinación ya que complica el análisis, "dice el Dr. Estrecho.
“Pero en este caso, la inclinación 'molesta' permitió la observación de la oscilación porque es favorable para que el condensado se derrame a lo largo de la dirección de inclinación.
La oscilación de chapoteo se observó tanto en la posición como en el momento del condensado, mostrando maravillosamente las leyes de la mecánica cuántica a una escala macroscópica que se puede ver con un microscopio ordinario. Sin embargo, las oscilaciones son extremadamente rápidas, de modo que solo fue posible observarlos usando una cámara con una resolución temporal a escala de picosegundos.
Estudiando la velocidad del sonido en superfluidos
La verdadera belleza del experimento radica en el análisis de las frecuencias de oscilación, ya que está directamente relacionado con la velocidad del sonido y puede sondear las propiedades superfluidas del fluido cuántico. Esto es especialmente relevante ya que este peculiar fluido cuántico puede existir a temperatura ambiente, y por lo tanto es prometedor para aplicaciones de dispositivos.
Usando un análisis inteligente, el equipo ha extraído la velocidad del sonido de los datos experimentales, y encontró que es más pequeño de lo esperado a partir de las teorías predominantes. El equipo argumentó que la discrepancia surge de la existencia de un depósito invisible de partículas similares a materia caliente que interactúan con las partículas híbridas de materia ligera.
Es más, el experimento también proporciona pistas sobre los posibles efectos que pueden ralentizar el superfluido. A temperatura de cero absoluto, Se espera que las oscilaciones nunca terminen ya que el sistema es un superfluido. Sin embargo, a temperatura finita, Este no es el caso, por lo que estudiar las tasas de amortiguación de las oscilaciones es esencial para comprender el superfluido.
Los resultados iniciales muestran que ni las partículas del depósito, temperatura finita, o la corta vida inherente de los excitones-polaritones pueden explicar únicamente las tasas de amortiguación observadas. Por eso, Se necesitan más estudios teóricos que combinen estos efectos y experimentos cuidadosamente controlados para comprender mejor el fluido cuántico que no está en equilibrio.
Oscilaciones colectivas de baja energía y sonido de Bogoliubov en un condensado de excitón-polaritón se publicó como sugerencia del editor en Cartas de revisión física en febrero de 2021.
