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Observan cómo se juntan y separan los átomos en gases ultrafríos

Conocerlo permitirá desarrollar sólidos superconductores a temperatura ambiente


Investigadores de MIT y de otras universidades de EE.UU. y Brasil han observado al detalle cómo se agrupan o separan los átomos en gases ultra-fríos, un tipo de comportamiento que se cree es equivalente al de los electrones en sólidos superconductores a altas temperaturas (temperatura ambiente). Las observaciones ayudarán a desarrollar estos últimos.





Imagen: Christine Daniloff. Fuente: MIT.
Imagen: Christine Daniloff. Fuente: MIT.
Si se embotella un gas y se intenta obtener imágenes de sus átomos utilizando los microscopios más potentes de hoy en día, se ve poco más que un borrón de sombras. Los átomos se mueven a la velocidad del rayo y son difíciles de ubicar, a temperatura ambiente.

Si, sin embargo, estos átomos se sumergen a temperaturas ultra frías, se ralentizan, y los científicos pueden comenzar a estudiar cómo pueden formar estados exóticos de la materia, como los superfluidos, los superconductores, y los imanes cuánticos.

Físicos de MIT (Massachusetts Institute of Technology, Boston, EE.UU.) han enfriado un gas de átomos de potasio a varios nanokelvins -sólo un pelo por encima del cero absoluto- y atrapado los átomos en una lámina bidimensional de una red óptica creada entrecruzando los láseres. Utilizando un microscopio de alta resolución, los investigadores tomaron imágenes de los átomos enfriados, sobre la red.

Al observar las correlaciones entre las posiciones de los átomos en cientos de este tipo de imágenes, el equipo observó átomos individuales que interactúan de formas bastante peculiares, en función de su posición en la red.

Algunos átomos exhibían un comportamiento "antisocial" y se mantenían alejados unos de otros, mientras que otros se amontonaban, con alternancia de orientaciones magnéticas. Otros parecían llevarse a cuestas unos a otros, creando pares de átomos junto a espacios vacíos, o huecos.

Superconductividad

El equipo cree que estas correlaciones espaciales pueden arrojar luz sobre los orígenes del comportamiento superconductor, y ayudarles a identificar las condiciones ideales para la inducción de la superconductividad en los sólidos. Los superconductores son materiales notables en los que los electrones se emparejan y viajan sin fricción, lo que significa que no pierden energía en el viaje.

Si se pudieran diseñar superconductores a temperatura ambiente, eso podría iniciar una nueva e increíblemente eficiente era para cualquier cosa que se base en la energía eléctrica.

El estudio se ha publicado en Science, y en él han colaborado investigadores del Centro Harvard-MIT de Átomos Ultrafríos, el Laboratorio de Investigación Electrónica del MIT, y dos grupos teóricos de la Universidad Estatal de San José, la Universidad Estatal de Ohio, la Universidad Estatal de Pensilvania (las tres de EE.UU.), y la Universidad de Río de Janeiro (Brasil).

Simulador cuántico

Hoy en día, es imposible modelar el comportamiento de los superconductores a alta temperatura, incluso usando los ordenadores más potentes del mundo, puesto que las interacciones entre los electrones son muy fuertes. El equipo del MIT buscó en su lugar diseñar un "simulador cuántico", utilizando los átomos de un gas como sustitutos para los electrones de un sólido superconductor.

Los electrones -al igual que los átomos de un gas-, tienen un espacio personal, una 'esfera' a su alrededor que no comparten con otras partículas, según explicó el físico Wolfgang Pauli.

Los gases, a temperaturas muy bajas, se comportan de manera peculiar, y el equipo de MIT tenía la esperanza de que el comportamiento de los átomos ultra-fríos fuera análogo al de los electrones en los superconductores de alta temperatura.

Comportamientos

En los bordes de la red de átomos ultrafríos, en los que el gas está más diluido, los investigadores observaron átomos que forman huecos de Pauli, manteniendo una cierta cantidad de espacio personal dentro de la red.

"Se crean un poco de espacio para sí mismos en los que es muy poco probable encontrar un segundo individuo", dice Martin Zwierlein, investigador de MIT, en MIT News.

Donde el gas estaba más comprimido, el equipo observó algo inesperado: los átomos estaban más dispuestos a tener vecinos cercanos, y estaban de hecho muy estrechamente agrupados. Estos átomos exhibían orientaciones magnéticas alternas.

"Eran correlaciones hermosas, antiferromagnéticas, como un tablero de ajedrez: arriba, abajo, arriba, abajo", describe Zwierlein. Al mismo tiempo, encontraron que estos átomos saltaban a menudo encima de otros, creando pares de átomos al lado de posiciones vacías en la red. Se cree que esto también tiene una analogía en la superconductividad de alta temperatura.

Zwierlein explica: "Estos efectos se producen a nanokelvin porque estamos trabajando con gases atómicos diluidos. Si fuera materia densa, estos mismos efectos podrían también ocurrir a temperatura ambiente ".

Hasta ahora, el equipo ha sido capaz de alcanzar temperaturas ultrafrías en gases, que son equivalentes a cientos de grados Kelvin en sólidos. Para inducir la superconductividad, Zwierlein dice que el grupo tendrá que enfriar sus gases por otro factor de cinco, más o menos. "Creo que podremos hacerlo".

Referencia bibliográfica:

L. W. Cheuk, M. A. Nichols, K. R. Lawrence, M. Okan, H. Zhang, E. Khatami, N. Trivedi, T. Paiva, M. Rigol, M. W. Zwierlein: Observation of spatial charge and spin correlations in the 2D Fermi-Hubbard model. Science (2016). DOI: 10.1126/science.aag3349.


Viernes, 16 de Septiembre 2016
MIT News/T21
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