La superfluidez en líquidos y gases puede manifestarse como un momento de inercia reducido (el análogo rotacional de la masa) bajo rotaciones lentas. Los efectos rotacionales no clásicos también se pueden considerar en las elusivas fases supersólidas de la materia, donde la superfluidez puede coexistir con una estructura reticular. En un nuevo informe ahora publicado en Ciencias , L. Tanzi y un equipo de investigación del Instituto Nacional de Óptica y el Departamento de Astronomía de la Universidad de Florencia en Italia, mostró cómo una fase supersólida recientemente descubierta en gases cuánticos dipolares presentaba un momento de inercia reducido. El equipo estudió un modo de oscilación rotacional peculiar en un potencial armónico para deducir una fracción supersólida y proporcionar evidencia directa de la naturaleza supersólida de la construcción dipolar.

Superfluidos y supersolidez

Los superfluidos exhiben sus propiedades más espectaculares durante la rotación, donde el estado superfluido se describe mediante una función de onda macroscópica. Los físicos ya habían verificado efectos de rotación no clásicos para la mayoría de los superfluidos conocidos, incluida la materia nuclear, condensados ​​gaseosos de Bose-Einstein y gases degenerados de Fermi. El resultado está relacionado con el efecto Meissner observado en los superconductores. En los años 1960, Los investigadores descubrieron otro tipo de fase bosónica de la materia conocida como supersólido, descrito por una función de onda macroscópica. En un supersólido, la superfluidez puede coexistir con una arquitectura de tipo cristal. El físico sugirió que el supersólido rotatorio mostraría un momento de inercia intermedio a un superfluido y un sistema clásico. Este fenómeno se conoce como inercia rotacional no clásica (NCRI). Estas observaciones sobre la supersolidez se realizaron principalmente con helio sólido, donde los investigadores emplearon osciladores de torsión (sistemas rotacionales) para detectar NCRI. En este trabajo, Tanzi y col. investigó un candidato supersólido diferente:un condensado gaseoso de Bose-Einstein (BEC) de átomos fuertemente dipolares.

Las BEC se forman en una fracción por encima del cero absoluto y solo en átomos que actúan como bosones, uno de los dos tipos de partículas fundamentales. Cuando los bosones se enfrían a temperaturas suficientemente bajas, una fracción sustancial entra espontáneamente en un solo estado cuántico en un fenómeno conocido como condensación de Bose-Einstein (BEC), y los experimentos más famosos son los que involucran gases atómicos. El sistema cuántico recientemente descubierto mostró un régimen de densidad modulada coexistiendo con la coherencia de fase, según sea necesario para la supersolidez. Los investigadores habían probado la naturaleza de los superfluidos utilizando modos de excitación no rotacionales en relación con las ecuaciones hidrodinámicas de los superfluidos. De acuerdo con los experimentos de helio anteriores, Tanzi y col. solo enfocado en caracterizar el NCRI (inercia rotacional no clásica) de sistemas, con el fin de proporcionar evidencia directa de superfluidez en rotación.

Los experimentos

En física cuántica, Todavía no es práctico lograr sólidos dipolares lo suficientemente grandes como para realizar una geometría cilíndrica. Como resultado, los investigadores seleccionaron una técnica de rotación específica para adaptarse a la asimétrica, pequeño sistema en el laboratorio. Luego excitaron el llamado modo de tijera del sistema; una oscilación rotacional de ángulo pequeño del potencial armónico que naturalmente sostiene el sistema. La técnica se empleó anteriormente para demostrar la superfluidez en condensados ​​de Bose-Einstein (BEC) ordinarios. Tanzi y col. investigó el cambio de frecuencia del modo de tijera a lo largo de la transición de BEC a la forma supersólida para comparar directamente el supersólido con un sistema completamente superfluido. Durante los experimentos, el equipo utilizó un BEC de átomos de disprosio (Dy) fuertemente magnéticos en una trampa armónica anisotrópica con frecuencias con los dipolos orientados en la dirección Z a través de un campo magnético. La temperatura del sistema era suficientemente baja y los científicos indujeron la transición de BEC al supersólido sintonizando a través de una resonancia magnética de Feshbach y las energías de interacción de van der Waals. Los científicos esperaban que la red estuviera compuesta por un cúmulo supersólido para llevar el sistema a un régimen de gotas cristalinas sin coherencia entre las gotas.

A continuación, el equipo excitó el modo de tijera y calculó la frecuencia de oscilación para estar directamente relacionada con el momento de inercia del superfluido. Luego conectaron el momento de inercia a una fracción superfluida definida específicamente para el sistema. Tanzi y col. señaló la analogía del modo de tijera con los osciladores de torsión de helio, ya que ambos sistemas detectaron NCRI (inercia rotacional no clásica) a través de la frecuencia de oscilación. Los resultados experimentales resumieron las medidas de tijeras en los regímenes BEC y supersólidos. El equipo tomó imágenes de las distribuciones de densidad 2-D después de una expansión libre del sistema para representar distribuciones de momento efectivas. Los regímenes BEC y supersólidos mostraron oscilaciones de frecuencia única como se esperaba para superfluidos de interacción débil. Para evitar perturbaciones causadas por otros modos colectivos en el sistema, Tanzi y col. empleó dos técnicas de excitación diferentes para el BEC y los regímenes supersólidos. Luego obtuvieron un resumen de los resultados para la frecuencia de la tijera y el momento de inercia relacionado y luego compararon los resultados con las predicciones teóricas. El equipo notó una clara reducción de la frecuencia cuando el sistema entró en el régimen supersólido de acuerdo con la teoría. Los resultados proporcionaron evidencia adicional de NCRI para el sólido dipolar. El equipo explicó los mecanismos que se muestran en este trabajo utilizando predicciones originales hechas para la condensación de Bose en sistemas de materia condensada.

panorama

De este modo, L. Tanzi y sus colegas establecieron la naturaleza superfluida del supersólido dipolar caracterizando su inercia rotacional no clásica. El supersólido era diferente de los superfluidos estándar debido a la fracción de superfluido reducida. La técnica detallada en este trabajo permitirá profundizar en las investigaciones de los fenómenos en futuros estudios. El equipo propone lograr sistemas más grandes como método adicional para estudiar el comportamiento de los supersólidos en geometría anular o en una configuración 2-D. al mismo tiempo que estudia la dinámica de los vórtices cuantificados en la fase supersólida.

© 2021 Science X Network