Polarones interactuando: Simulaciones de cuasipartículas que interactúan en gas cuántico ultrafrío
27/10/2023
Las cuasipartículas son una herramienta esencial para describir los procesos complejos que surgen de interacciones fuertes en sólidos. Estas cuasipartículas pueden simularse y estudiarse con precisión en un sistema radicalmente diferente, es decir, un gas cuántico ultrafrío. Ahora los científicos han podido observar en un experimento real cómo interactúan entre sí las cuasipartículas llamadas polarones de Fermi. Sus hallazgos han sido publicados en Nature Physics.
Un electrón que se mueve a través de un sólido genera una polarización de su entorno debido a su carga eléctrica. El famoso físico ruso Lev Landau introdujo a finales de la década de 1950 el concepto de cuasipartículas para describir la entidad conjunta formada por el electrón y la nube de excitaciones circundante. Hace más de diez años, surgió una colaboración entre los teóricos Pietro Massignan del Departamento de Física de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), Georg Bruun del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Aarhus y el equipo experimental liderado por Rudolf Grimm en el El Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica (IQQOI) de Innsbruck generó con éxito cuasipartículas con interacciones tanto atractivas como repulsivas con su entorno. Para ello, el equipo utilizó un gas cuántico de átomos de litio y potasio enfriados a temperaturas nanoKelvin en una cámara de alto vacío. Mediante pulsos de radiofrecuencia transfirieron muy pocos átomos de potasio a un estado que experimentaba interacciones de atracción o repulsión arbitrariamente fuertes con los átomos de litio que los rodeaban. De esta forma, los investigadores generaron estados complejos similares al que producen los electrones de conducción en un sólido.
Ahora, el mismo equipo, junto con el teórico Miguel Ángel Bastarrachea de la Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa, ha podido producir varias cuasipartículas de este tipo simultáneamente y observar sus interacciones entre sí. La estadística cuántica de las impurezas juega un papel crucial y, aunque se podría suponer que los polarones siempre se atraen entre sí, la teoría predice interacciones atractivas entre impurezas bosónicas, pero interacciones repulsivas entre impurezas fermiónicas, como ahora se ha demostrado claramente en un experimento real. experimentar este sorprendente cambio de comportamiento, que se deriva de la teoría de Landau. El efecto es extremadamente pequeño y las incertidumbres experimentales impidieron su observación en experimentos anteriores.
Estas investigaciones nos proporcionan información sobre mecanismos muy fundamentales de la naturaleza y nos ofrecen excelentes oportunidades para estudiarlos en detalle.
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