Los solitones son ondas que aparecen en medios no lineales y se comportan como “partículas” al mantener su forma y velocidad al propagarse, incluso tras interaccionar con otros. Los solitones brillantes (oscuros) son resultado de un exceso (defecto) en la densidad del medio; son muy robustos porque resultan del tira y afloja de dos efectos opuestos, la dispersión y la no linealidad. Se publica en Nature la observación de solitones oscuros en un gas cuántico ultrafrío de átomos de litio-6 (fermiones) con interacción fuerte. Lo sorprendente del nuevo trabajo de físicos del MIT (Cambridge, Massachusetts, EEUU) es que la velocidad de propagación de estos solitones oscuros difiere de las predicciones teóricas para superfluidos con interacción débil en un factor de hasta 20, lo que indica que aún no entendemos bien el régimen de interacción fuerte. Quizás herramientas de la teoría de cuerdas aplicada a gases de Fermi permitan aclarar esta cuestión. Nos lo cuenta Christoph Becker, “Condensed-matter physics: Dark and heavy,” Nature, published online 17 Jul 2013, que se hace eco del artículo técnico de Tarik Yefsah et al., “Heavy solitons in a fermionic superfluid,” Nature, published online 17 July 2013.
Los solitones oscuros son “huecos” en la densidad del superfluido. A diferencia de una onda dispersiva (como la onda que se forma al caer una piedra en un estanque), que se diluye hasta desaparecer debido a la dispersión, los solitones retienen su forma y velocidad incluso tras interacciones con otros solitones o con el contorno del medio. Lo más interesante de los solitones en gases y líquidos cuánticos es que las propiedades cuánticas perturban los solitones, lo que permite utilizarlos para explorar éstas. Ya se han observado los solitones oscuros en condensados de Bose-Einstein (BEC), formados por un gas cuántico ultrafrío de átomos que actúan como bosones y muestran propiedades de superfluidos, permitiendo utilizarlos para explorar sus propiedades cuánticas; por supuesto, para los que trabajamos en la teoría de solitones lo más interesante de estos estudios ha sido confirmar que las colisiones entre solitones son elásticas y estos recuperan sus propiedades como predice la teoría tras las interacción.
En un gas cuántico ultrafrío de fermiones, a diferencia de los bosones, el principio de exclusión de Pauli impide que dos átomos fermiónicos ocupen el mismo estado cuántico. Para que se comporten como un superfluido es necesario que los átomos de espín semientero (1/2) se apareen dando lugar a bosones efectivos de espín entero (1). Hay dos regímenes posibles. Cuando la interacción entre los átomos fermiónicos es fuerte, la distancia entre los miembros de cada par es pequeña (comparable a la distancia entre los átomos del gas cuántico) y se forma un estado condensado de Bose-Einstein (BEC). Cuando la interacción es débil, la distancia entre los miembros de cada par es muy grande comparada con la distancia interatómica, comportándose como pares de Cooper (pero de átomos en lugar de electrones) en un superconductor y formándose un estado de Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS). La teoría describe bien ambos estados extremos. El nuevo artículo se centra en los solitones oscuros que se observan en el régimen intermedio entre el estado BEC y BCS (llamado a veces gas de Fermi unitario), cuando la distancia entre los miembros del par es comparable a la distancia interatómica. No hay una descripción teórica satisfactoria de la física en este régimen, en el que también se observa la superfluidez según las observaciones experimentales utilizando vórtices. Siendo una física más complicada y poco conocida hay un gran interés en poder explorarla utilizando solitones oscuros.
Yefsah et al. han estudiado mediante solitones oscuros la transición BEC–BCS en un gas de Fermi ultrafrío de átomos de litio-6, que se comportan como fermiones. Gracias a un fenómeno llamado resonancia magnética de Feshbach han logrado atrapar los solitones oscuros y ponerlos a oscilar. En el régimen de tipo BEC, estas oscilaciones tienen la velocidad predicha por la teoría, pero en los regímenes BEC–BCS y BCS su velocidad se reduce en un factor de hasta 20. Estos físicos del MIT creen que el defecto en la densidad que forma el solitón oscuro se rellena de más átomos no apareados (que no están en el estado condensado) de lo que predice la teoría y los cálculos numéricos; este rellenado hace que el solitón oscuro tenga mayor “masa” y reduzca su velocidad de oscilación (los autores los han bautizado como “solitones pesados”).
La causa de la aparición de los “solitones pesados” no está clara, pero Yefsah et al. han analizado la dependencia con la temperatura del incremento observado en la masa efectiva de los solitones y afirman que es debida a fluctuaciones cuánticas (descartando fluctuaciones térmicas). Todo un reto para los físicos computacionales y teóricos que tendrán que estudiar cómo replicar este resultado en simulaciones cuánticas de gases de Fermi con interacción fuerte. Quizás los resultados experimentales ocultan algún mecanismo desconocido que pueda ser desvelado utilizando ideas teóricas basadas la aplicación a los gases de Fermi de las herramientas de la teoría de cuerdas. Sería todo un éxito para esta rama de la física.
Los solitones oscuros son “huecos” en la densidad del superfluido. A diferencia de una onda dispersiva (como la onda que se forma al caer una piedra en un estanque), que se diluye hasta desaparecer debido a la dispersión, los solitones retienen su forma y velocidad incluso tras interacciones con otros solitones o con el contorno del medio. Lo más interesante de los solitones en gases y líquidos cuánticos es que las propiedades cuánticas perturban los solitones, lo que permite utilizarlos para explorar éstas. Ya se han observado los solitones oscuros en condensados de Bose-Einstein (BEC), formados por un gas cuántico ultrafrío de átomos que actúan como bosones y muestran propiedades de superfluidos, permitiendo utilizarlos para explorar sus propiedades cuánticas; por supuesto, para los que trabajamos en la teoría de solitones lo más interesante de estos estudios ha sido confirmar que las colisiones entre solitones son elásticas y estos recuperan sus propiedades como predice la teoría tras las interacción.
En un gas cuántico ultrafrío de fermiones, a diferencia de los bosones, el principio de exclusión de Pauli impide que dos átomos fermiónicos ocupen el mismo estado cuántico. Para que se comporten como un superfluido es necesario que los átomos de espín semientero (1/2) se apareen dando lugar a bosones efectivos de espín entero (1). Hay dos regímenes posibles. Cuando la interacción entre los átomos fermiónicos es fuerte, la distancia entre los miembros de cada par es pequeña (comparable a la distancia entre los átomos del gas cuántico) y se forma un estado condensado de Bose-Einstein (BEC). Cuando la interacción es débil, la distancia entre los miembros de cada par es muy grande comparada con la distancia interatómica, comportándose como pares de Cooper (pero de átomos en lugar de electrones) en un superconductor y formándose un estado de Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS). La teoría describe bien ambos estados extremos. El nuevo artículo se centra en los solitones oscuros que se observan en el régimen intermedio entre el estado BEC y BCS (llamado a veces gas de Fermi unitario), cuando la distancia entre los miembros del par es comparable a la distancia interatómica. No hay una descripción teórica satisfactoria de la física en este régimen, en el que también se observa la superfluidez según las observaciones experimentales utilizando vórtices. Siendo una física más complicada y poco conocida hay un gran interés en poder explorarla utilizando solitones oscuros.
Yefsah et al. han estudiado mediante solitones oscuros la transición BEC–BCS en un gas de Fermi ultrafrío de átomos de litio-6, que se comportan como fermiones. Gracias a un fenómeno llamado resonancia magnética de Feshbach han logrado atrapar los solitones oscuros y ponerlos a oscilar. En el régimen de tipo BEC, estas oscilaciones tienen la velocidad predicha por la teoría, pero en los regímenes BEC–BCS y BCS su velocidad se reduce en un factor de hasta 20. Estos físicos del MIT creen que el defecto en la densidad que forma el solitón oscuro se rellena de más átomos no apareados (que no están en el estado condensado) de lo que predice la teoría y los cálculos numéricos; este rellenado hace que el solitón oscuro tenga mayor “masa” y reduzca su velocidad de oscilación (los autores los han bautizado como “solitones pesados”).
La causa de la aparición de los “solitones pesados” no está clara, pero Yefsah et al. han analizado la dependencia con la temperatura del incremento observado en la masa efectiva de los solitones y afirman que es debida a fluctuaciones cuánticas (descartando fluctuaciones térmicas). Todo un reto para los físicos computacionales y teóricos que tendrán que estudiar cómo replicar este resultado en simulaciones cuánticas de gases de Fermi con interacción fuerte. Quizás los resultados experimentales ocultan algún mecanismo desconocido que pueda ser desvelado utilizando ideas teóricas basadas la aplicación a los gases de Fermi de las herramientas de la teoría de cuerdas. Sería todo un éxito para esta rama de la física.
Francis (th)E mule Science's News
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