Los Físicos Del Mit Estudian Un Superfluido Para Comprender Mejor Las Estrellas De Neutrones

los átomos de litio ultrafríos pasan de un gas típico a un superfluido

Los físicos del MIT estudiaron cómo una nube de átomos de litio ultrafríos pasa de un gas típico a un superfluido, un estado en el que las partículas fluyen sin fricción.

MIT Los físicos están estudiando la transición de fase para comprender mejor la superconductividad de los electrones en los metales. Al examinar cómo un gas se convierte en un superfluido, un estado en el que las partículas fluyen sin fricción, esperan obtener una mejor comprensión de la ecuación de estado de las estrellas de neutrones increíblemente densas.

Cada vez que hierve agua en una tetera, presencia un fenómeno conocido como transición de fase: el agua se transforma de líquido a gas, como puede ver en el agua burbujeante y el vapor siseante. Los físicos del MIT ahora han observado una transición de fase mucho más esquiva: la de un gas a un superfluido, un estado en el que las partículas fluyen sin fricción.

El trabajo del MIT, publicado la semana pasada en la edición en línea de Science, también arroja luz sobre la superconductividad de los electrones en los metales, incluidos los superconductores de alta temperatura que tienen el potencial de revolucionar la eficiencia energética.

Los investigadores, dirigidos por el profesor asistente de física del MIT Martin Zwierlein, llevaron a cabo su experimento con un isótopo de litio que tiene un número impar de electrones, protones y neutrones. Estas partículas se llaman fermiones. Para volverse superfluidos y fluir sin fricción, los fermiones deben unirse en pares. Esto es lo que sucede en los superconductores, donde los electrones forman los llamados pares de Cooper, que pueden fluir sin resistencia.

De manera análoga a la transición del agua al vapor, la transición del superfluido (pares) al gas normal (átomos individuales no apareados) debería ir acompañada de un cambio drástico en la presión, densidad y energía del gas. Para observar directamente tal transición en un gas, el equipo del MIT tuvo que atrapar primero el gas de litio en un átomo trampa (en la que los átomos se mantienen en su lugar mediante campos electromagnéticos) y enfriarla a temperaturas ultrabajas, menos de cien mil millonésimas de grado por encima cero absoluto .

En este punto, se esperaba que se formara un superfluido que comprendía pares de átomos en el centro de la trampa de átomos, rodeado por una región normal de átomos no apareados. Luego se usó una luz para proyectar la sombra de esta nube de átomos en una cámara.

Utilizando las imágenes de sombras, los estudiantes graduados de Zwierlein y del MIT Mark Ku, Ariel Sommer y Lawrence Cheuk se propusieron medir con precisión la relación entre la presión, la densidad y la temperatura del gas. La relación entre estas tres variables se conoce como una “ecuación de estado” para el sistema. (Por ejemplo, para el vapor en la caldera, se sabe que a medida que aumenta la temperatura, también aumentará la presión). Una ecuación de estado determina completamente las propiedades termodinámicas de un sistema, incluidas sus transiciones de fase.

Un nuevo ‘termómetro’

Un obstáculo en experimentos anteriores sobre la termodinámica de los gases ultrafríos fue la ausencia de un termómetro confiable que pueda medir la temperatura de una bocanada de gas más de 10 millones de veces más fría que el espacio interestelar. Los investigadores resolvieron este problema caracterizando cuidadosamente las propiedades de su trampa de átomos.

“Como geómetras que miden las líneas de altura de un paisaje, determinamos la forma exacta de nuestra trampa”, explica el estudiante graduado Mark Ku. “Estas líneas de altura luego sirvieron como nuestro termómetro”.

Piense en la trampa como un valle lleno de niebla: en las regiones superiores, uno encontraría regiones de niebla menos densas, mientras que en el valle la niebla se vuelve más densa. Al medir tres cantidades: la densidad del gas en una línea de altura determinada, su cambio de una línea a la siguiente y la cantidad total de gas encontrada en el camino hacia esa altura, los investigadores pudieron determinar la ecuación de estado de su gas de fermiones. .

Los átomos de estos gases interactúan con mucha fuerza, al igual que los electrones de los superconductores de alta temperatura. El mecanismo exacto de la superconductividad aún no se comprende y, hasta ahora, los físicos no han podido predecir materiales que se convertirían en superconductores a temperatura ambiente. El equipo del MIT ahora ha medido la temperatura crítica de superfluidez en su gas atómico de Fermi y ha demostrado que, escalado a la densidad de electrones en un metal, la superfluidez se produciría muy por encima de la temperatura ambiente.

El nuevo trabajo representa un “logro sobresaliente”, dice Wilhelm Zwerger, profesor de física en la Universidad Técnica de Múnich de Alemania, que no participó en la investigación. Según Zwerger, determinar la transición de fase de los superfluidos no solo arroja luz sobre los gases de Fermi y los superconductores de alta temperatura, sino que también podría ayudar a los científicos a comprender mejor la ecuación de estado de las estrellas de neutrones increíblemente densas, que son más pesadas que el sol pero tienen un diámetro. de sólo unos 12 kilómetros.

Imagen: Martin Zwierlein

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