Un equipo de investigación internacional de Innsbruck y Ginebra ha desarrollado un nuevo método de termometría para medir temperaturas de gases cuánticos de baja dimensión. Con este método se descubrió que la compresión de un gas puede provocar su enfriamiento. Los resultados sobre este fenómeno contraintuitivo acaban de publicarse en Science Advances .

La experiencia cotidiana nos dice que la compresión calienta y la expansión enfría. Cualquiera que haya inflado un neumático de bicicleta lo sabe. Introduzca la física cuántica. En el mundo cuántico se aplican reglas especiales. Las partículas conocidas como bosones pueden condensarse conjuntamente y volverse superfluidas. Los fermiones exhiben el principio de exclusión de Pauli y se evitarán entre sí.

En dimensiones reducidas, la situación se vuelve más complicada. Se potencia el papel de las fluctuaciones cuánticas y los bosones pueden fermionizarse cuando las interacciones entre partículas son muy fuertes.

En vista de esto, los sistemas cuánticos en dimensionalidad reducida se han convertido en un rico campo de investigación. Se utilizan como plataforma para la simulación cuántica. En particular, los cables cuánticos unidimensionales (1D) han atraído una amplia atención en vista de la miniaturización en curso de los circuitos electrónicos.

La plataforma experimental de átomos fríos confinados a potenciales de luz ajustados se utiliza para realizar tales cables cuánticos y para simular cuánticamente las propiedades de los electrones bajo un confinamiento fuerte.

En un trabajo experimental y teórico conjunto realizado en Innsbruck en el Departamento de Física Experimental y en el Departamento de Física Cuántica de la Materia de la Universidad de Ginebra, se descubrió que un sistema cuántico de muchos cuerpos que interactúa fuertemente puede experimentar un enfriamiento cuando la dimensionalidad esta reducido. De este modo, un "neumático cuántico" podría enfriarse al inflarse.

Este efecto es contrario a lo esperado y, de hecho, no ha sido propuesto ni previsto en la literatura. La observación fue posible gracias al desarrollo de un método de termometría que combina experimento y teoría y que funciona particularmente bien en el caso de interacciones fuertes.

"Podemos medir temperaturas en 1D con una sensibilidad nano-Kelvin", dice Yanliang Guo, uno de los dos autores principales de este estudio. "Descubrimos que la temperatura primero sube de 12,5 nK a 17 nK cuando comprimimos de 3D a 2D, y luego cae a 9 nK cuando comprimimos más a 1D".

El enfriamiento se produce debido a la interacción del fuerte confinamiento lateral en 1D y las fuertes interacciones en el régimen donde los bosones se fermionizan. En el experimento, el equipo comprobó que fuertes interacciones en 1D son un requisito necesario para que se produzca el enfriamiento.

"Un cambio de 12,5 a 9 nK no parece gran cosa", afirma Hanns-Christoph Nägerl, uno de los jefes del equipo. "Pero desde los primeros resultados publicados ahora en este trabajo conjunto, hemos mejorado significativamente y hemos visto temperaturas de hasta 2 nK con una sensibilidad de 1 nK".

El equipo espera que estos resultados generen mucho interés en la comunidad científica. Los sistemas cuánticos de muchos cuerpos de baja dimensión y fuertemente correlacionados presentan una gran variedad de efectos cuánticos genuinos, y su investigación puede arrojar luz sobre muchos enigmas de la física, siendo el más destacado el de la superconductividad a alta temperatura, con consecuencias de largo alcance. si se solucionara.

En particular, los sistemas de átomos ultrafríos de baja D se utilizan ahora ampliamente como plataforma para la simulación cuántica, y recientemente se ha obtenido una serie de resultados muy interesantes para sistemas en 1D (por ejemplo, sobre pretermalización, fermionización dinámica, flujo de calor anómalo, espín). -separación de carga).

"La temperatura juega un papel crucial en todos los sistemas cuánticos y, por lo tanto, poder medir la temperatura es de suma importancia", dice Hepeng Yao, el teórico principal de este estudio. "Sin embargo, hasta ahora esto no se ha hecho para sistemas cuánticos de muchos cuerpos 1D y 2D aislados y fuertemente correlacionados".

Thierry Giamarchi, jefe del equipo de Ginebra, afirma:"Conceptualmente nos parece muy interesante que las temperaturas puedan bajar a medida que aumenta el grado de confinamiento. Esto va en contra de la intuición común y muestra los efectos sutiles que pueden ocurrir en el mundo cuántico."

Más información: Yanliang Guo et al, Enfriamiento anómalo de bosones por reducción dimensional, Avances científicos (2024). DOI:10.1126/sciadv.adk6870

Proporcionado por la Universidad de Innsbruck