El momento canónico y las densidades de espín en la interferencia de dos ondas de gravedad. (A) Esquema de la configuración experimental para la observación del movimiento de partículas en las ondas de la superficie del agua que interfieren. (B) Propiedades de espín y momento de dos ondas de gravedad que interfieren con frecuencias, amplitudes y vectores de onda ortogonales k1 y k2 iguales. El gráfico teórico muestra las distribuciones de la densidad de momento canónico P y la densidad de espín S (Tabla 1). Los gráficos numéricos y experimentales representan trayectorias de partículas microscópicas durante tres periodos de onda 6π/ω. La deriva de Stokes de las partículas y su movimiento elíptico corresponden al momento canónico y al espín, respectivamente. Los parámetros son x˜=2–√ kx, y˜=2–√ k y, y ω/2π =6 Hz. a.u., unidades arbitrarias. Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm1295
Las ondas de agua se pueden utilizar para visualizar conceptos fundamentales, como el momento angular de giro, que surgen en la teoría relativista de campos, según han demostrado los físicos de RIKEN. Esto ayudará a proporcionar nuevos conocimientos sobre sistemas de olas muy diferentes.
Introducido por primera vez hace casi un siglo, el concepto de momento angular de espín, o espín, es de vital importancia en la física cuántica y sustenta los campos emergentes de la espintrónica y la computación cuántica. En la física de la escuela secundaria, el giro de un electrón generalmente se describe como el electrón girando sobre su eje, similar a una peonza. Pero una descripción más completa del giro es más abstracta y no se reduce a imágenes simples.
Ahora, Konstantin Bliokh del Laboratorio de Física Cuántica Teórica RIKEN y sus compañeros de trabajo han demostrado que el giro puede aparecer como pequeños movimientos circulares de partículas de agua en ondas de agua. Su investigación se publica en Science Advances .
"Nos sorprendió que nuestros colaboradores de la Universidad Nacional de Australia pudieran observar este efecto en experimentos con tanta facilidad", dice Bliokh. "Los fenómenos similares en óptica y acústica tienden a ser demasiado pequeños para observarlos, pero con las ondas de agua, todo tiene un tamaño de unos pocos milímetros y puedes observarlo con tus ojos. Esa es la belleza de este experimento".
También fue inesperado porque el concepto de espín proviene de las matemáticas que describen la teoría relativista de campos y no se aplica directamente a las ondas de agua. Pero los investigadores pudieron demostrar que existe una conexión matemática entre las ondas de agua y la teoría formal del momento angular de giro. Como suele ser el caso en la física, diversos fenómenos que parecen no tener ninguna relación pueden conectarse mediante matemáticas comunes.
"Es bueno obtener una imagen unificada de diferentes sistemas de ondas y ver los paralelos entre ellos", dice Bliokh. "Este enfoque ilumina la física detrás de diferentes fenómenos y podría ser muy fructífero para el desarrollo futuro de diferentes campos". Señala que las ideas podrían fluir en ambos sentidos y que podríamos aprender más sobre la dinámica de fluidos a partir de la conexión.
Bliokh también considera que la demostración podría ser útil para enseñar la teoría cuántica de campos. "Cantidades como la densidad de espín se derivan de una manera muy abstracta. Aparece en algunas ecuaciones, pero observas cosas totalmente diferentes en los experimentos", dice Bliokh. "Por primera vez, hemos observado directamente la densidad de espín en las ondas de agua. Así que es realmente una plataforma para visualizar propiedades que están ocultas en la teoría cuántica de campos".
El equipo ahora está explorando cómo se puede usar la teoría de campos para obtener nuevos conocimientos sobre otros tipos de ondas clásicas. Mejorando la manipulación de micropartículas por sonido
