Un átomo de impureza puede evolucionar gradualmente a una cuasipartícula al interactuar con un medio circundante. Este proceso es similar a la distorsión de una red cristalina causada por un electrón que se mueve a través de un sólido como se muestra en el recuadro. Crédito:CCQ, Universidad de Aarhus.
En las ultimas decadas, Los físicos de todo el mundo han estado tratando de obtener una mejor comprensión de la dinámica de no equilibrio en los sistemas cuánticos de muchos cuerpos. Algunos estudios investigaron lo que se conoce como cuasipartículas, perturbaciones o entidades en sistemas físicos que exhiben un comportamiento similar al de las partículas.
Investigadores de la Universidad de Aarhus llevaron a cabo recientemente un estudio que investiga la dinámica de no equilibrio de una impureza cuántica sumergida en un entorno bosónico. Su papel publicado en Física de la naturaleza , arroja luz sobre el comportamiento dinámico de los sistemas de muchos cuerpos que interactúan, al mismo tiempo que mejora la comprensión actual de cómo se forman los polarones de Bose.
"Nuestro artículo reciente es parte de una extensa investigación de las llamadas cuasipartículas y es la culminación de una fructífera colaboración entre físicos experimentales y teóricos de la Universidad de Aarhus, "Magnus G. Skou, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Las cuasipartículas son extremadamente interesantes, ya que pueden consistir en innumerables partículas y sus excitaciones ".
La idea de las cuasipartículas fue introducida por primera vez en la década de 1930 por el físico Lev Landau, que estaba tratando de obtener una mejor comprensión de los sistemas cuánticos complejos. Los experimentos llevados a cabo por Skou y sus colegas se basan en modelos creados por Landau.
En sus estudios, los investigadores prepararon estados de superposición coherentes de átomos en un condensado de Bose-Einstein con un pequeño componente de estado de impureza utilizando una técnica interferométrica. Después, monitorearon la evolución de estas superposiciones cuánticas y su transición a cuasipartículas polarónicas.
Una parte central del experimento, donde los átomos son inicialmente atrapados y enfriados a temperaturas muy por debajo de la del espacio interestelar. Crédito:Lars Kruse / AU foto.
Notablemente, los investigadores pudieron observar el nacimiento de una clase única de cuasipartículas, llamados polarones de Bose, Por primera vez. Si bien en el pasado varios grupos de investigación detectaron signos de estas cuasipartículas en entornos de laboratorio, hasta ahora, observar su formación gradual a lo largo del tiempo resultó ser un gran desafío, principalmente porque los procesos mediante los cuales se forman son sumamente rápidos.
"Estudiamos cómo las impurezas interactúan con un medio puro y se transforman en polarones Bose, "Skou explicó." Nuestros experimentos se realizaron utilizando un medio de átomos enfriado a una temperatura sorprendentemente baja de sólo una milmillonésima de grado por encima del cero absoluto, que está muy por debajo de la temperatura del espacio exterior ".
Usando un gas de átomos ultrafríos, Skou y sus colegas pudieron estudiar las impurezas cuánticas en entornos extremadamente puros y bien controlados. Estas impurezas se crearon transfiriendo algunos de los átomos del medio a un estado cuántico de impurezas especial, utilizando un pulso de radiofrecuencia ultrarrápido de sólo 0,5 µs.
"Descubrimos que las impurezas comenzaron a interactuar dinámicamente con los átomos del medio y medimos esta evolución usando otro pulso corto de radiofrecuencia, ", Dijo Skou." Este esquema de dos pulsos nos permitió observar la eventual formación de cuasipartículas del polarón ".
Una parte del equipo experimental en 2018, cuando comenzaron las investigaciones iniciales. El profesor Jan Arlt (centro) sostiene una celda de vidrio en la que los átomos están atrapados y enfriados. Crédito:Lars Kruse / AU foto.
En sus experimentos, Skou y sus colegas observaron tres regímenes distintos de evolución de impurezas marcados por transiciones dinámicas. Estos regímenes luego vinculan la dinámica física inicial de pocos cuerpos y luego la de muchos cuerpos.
"Nuestro estudio es un gran paso adelante en la comprensión de los polarones de Bose, su dinámica de no equilibrio y cómo se forman, "Dijo Skou." Estos fenómenos cuánticos son sumamente fascinantes por sí mismos, pero además se conjetura que son elementos clave en tecnologías exóticas como semiconductores orgánicos y superconductores ".
En el futuro, Los hallazgos recopilados por Skou y sus colegas podrían abrir nuevas posibilidades para estudiar los fenómenos cuánticos que no están en equilibrio. lo que a su vez podría informar el desarrollo de nuevas tecnologías basadas en semiconductores y superconductores. En sus próximos estudios, los investigadores también planean investigar las formas en que los polarones interactúan entre sí.
"Estas interacciones se han predicho teóricamente en 2018 para permitir que dos polarones se unan entre sí, que genera una cuasipartícula completamente nueva conocida como bipolaron de Bose, ", Dijo Skou." Esto agrega una capa completamente nueva de física cuántica emocionante pero compleja. Aunque esta cuasipartícula aún no se ha visto en un gas ultrafrío, creemos que nuestro experimento puede tener potencial para observar su existencia ".
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