Los gases cuánticos que consisten en átomos son extremadamente adecuados para observar fenómenos mecánicos cuánticos y crear nuevos tipos de materia cuántica. En su Ph.D. La investigación Mestrom pudo cuantificar los efectos de las colisiones de tres partículas en esos gases ultrafríos. Con un nuevo método numérico pudo caracterizar y predecir ciertos efectos de estas colisiones. Defendió su Ph.D. el 27 de septiembre en el departamento de Física Aplicada.

Se puede crear un gas cuántico a partir de un gas atómico enfriando los átomos a temperaturas por debajo de un microkelvin. Esto está muy cerca del cero absoluto y corresponde aproximadamente a -273 grados Celsius. La densidad de estos gases cuánticos atómicos es extremadamente baja, muchos miles de veces menor que la densidad del aire que nos rodea.

Fuerza de interacción

Además, son muy pequeños con un diámetro típico del ancho de un cabello. Las propiedades de estos gases cuánticos ultrafríos dependen de las interacciones entre las partículas que chocan entre sí. Debido a la densidad extremadamente baja, las colisiones entre dos partículas ocurren con mucha más frecuencia que las colisiones entre tres o más partículas. Sin embargo, Las colisiones de tres partículas tienen un gran impacto en la estabilidad de los gases cuánticos ultrafríos.

Usando las leyes de la mecánica cuántica, Mestrom podría derivar una fuerza de interacción que se puede usar para cuantificar los efectos de esas colisiones de tres partículas. Desarrolló un método numérico que le permitió calcular esta fuerza de interacción para diferentes tipos de sistemas de tres partículas y estudiar las colisiones elásticas e inelásticas entre tres partículas.

Gas en líquido

Primero, investigó las colisiones entre tres partículas idénticas. Cuando la interacción entre dos partículas es lo suficientemente fuerte como para formar una molécula sin momento angular orbital (una llamada molécula de onda s), tres partículas pueden formar una infinidad de tipos de moléculas. Mestrom analizó cómo la escala universal del tamaño de estas moléculas, conocida como efecto Efimov, está influenciada por los modelos que describen las interacciones de dos partículas.

Además, el efecto de las colisiones elásticas de tres partículas en gases cuánticos ultrafríos aumenta cuando la fuerza de interacción de dos partículas es extremadamente baja. Mestrom mostró que la fuerza de interacción entre tres átomos se comporta universalmente. Es más, esta fuerza de interacción tiene un efecto repulsivo sobre el gas cuántico. Esta fuerza repulsiva puede incluso estabilizar un gas cuántico inestable en un líquido cuántico.

Girar

Los efectos mejorados de las colisiones elásticas de tres partículas también ocurren en mezclas gaseosas ultrafrías. Esto pasa, por ejemplo, cuando dos partículas no idénticas pueden formar una molécula débilmente unida con un momento angular orbital positivo (una llamada molécula de onda p). La fuerza de interacción de tres partículas se comporta entonces universalmente.

Es más, Las partículas de la mecánica cuántica pueden tener un momento angular intrínseco. Esto se conoce como giro. Se pueden crear gases cuánticos ultrafríos en los que las partículas tienen la libertad de cambiar su estado de giro. Este cambio puede ocurrir a través de colisiones con otras partículas.

En su tesis, Mestrom investigó la contribución de las colisiones de tres partículas a la dinámica de espín. De esta forma ha determinado el efecto de las colisiones de tres partículas sobre las propiedades magnéticas de los gases cuánticos atómicos. Es más, ha predicho cómo se puede mejorar este efecto utilizando radiación electromagnética y campos magnéticos.