Científicos crean la materia más fría del universo

En un laboratorio en Kioto, Japón, los investigadores están trabajando en algunos experimentos geniales. Un equipo de científicos de la Universidad de Kyoto y la Universidad de Rice en Houston, Texas, ha enfriado la materia hasta una mil millonésima de grado de cero absoluto (la temperatura cuando todo movimiento se detiene), lo que la convierte en la materia más fría de todo el universo. El estudio fue publicado en la edición de septiembre de Física de la naturalezay “abre un portal a un reino inexplorado del magnetismo cuántico”, según la Universidad de Rice.

“A menos que una civilización alienígena esté haciendo experimentos como estos en este momento, cada vez que este experimento se lleva a cabo en la Universidad de Kyoto, está produciendo los fermiones más fríos del universo”, dijo el profesor de la Universidad de Rice. kaden hazzardautor correspondiente de la teoría del estudio y miembro de la Iniciativa Rice Quantum, en un comunicado de prensa

. “Los fermiones no son partículas raras. Incluyen cosas como electrones y son uno de los dos tipos de partículas de las que está hecha toda la materia”.

Los científicos usaron láseres para hacer la materia más fría del universo
Diferentes colores representan los seis posibles estados de espín de cada átomo. CRÉDITO: Imagen de Ella Maru Studio/Cortesía de K. Hazzard/Rice University Imagen de Ella Maru Studio/Cortesía de K. Hazzard/Rice University

El equipo de Kioto dirigido por el autor del estudio yoshiro takahashi

láseres utilizados para enfriar el fermiones (o partículas como protones, neutrones y electrones cuyo número cuántico de espín es un medio entero impar como 1/2 o 3/2) de átomos de iterbio dentro de una milmillonésima parte de un grado de cero absoluto. Eso es aproximadamente 3 mil millones de veces más frío que espacio interestelar. Esta área del espacio todavía está calentada por el fondo cósmico de microondas (CMB)o el resplandor de la radiación de el Big Bang… hace unos 13.700 millones de años. La región más fría conocida del espacio es el Nebulosa Boomerangque tiene una temperatura de un grado por encima del cero absoluto y está a 3.000 años luz de la Tierra.

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Al igual que los electrones y los fotones, los átomos están sujetos a la leyes de la dinámica cuántica, pero sus comportamientos cuánticos solo se vuelven perceptibles cuando se enfrían a una fracción de grado del cero absoluto. Los láseres se han utilizado durante más de 25 años para enfriar los átomos para estudiar las propiedades cuánticas de los átomos ultrafríos.

“La recompensa de tener este resfriado es que la física realmente cambia”, dijo Hazzard. “La física comienza a volverse más mecánica cuántica y te permite ver nuevos fenómenos”.

En este experimento, se utilizaron láseres para enfriar la materia al detener los movimientos de 300.000 átomos de iterbio dentro de un celosía óptica. Simula el modelo Hubbarduna física cuántica propuesta por primera vez por el físico teórico Juan Hubbard

en 1963. Los físicos utilizan los modelos de Hubbard para investigar el comportamiento magnético y superconductor de los materiales, especialmente aquellos en los que las interacciones entre los electrones producen un comportamiento colectivo.

Este modelo permite que los átomos muestren sus propiedades cuánticas inusuales, que incluyen el comportamiento colectivo entre los electrones (un poco como un grupo de ventiladores que realizan “la ola” en un partido de fútbol o soccer) y superconducciono la capacidad de un objeto para conducir electricidad sin perder energía.

“El termómetro que usan en Kioto es una de las cosas importantes que proporciona nuestra teoría”, dijo hazzard. “Comparando sus medidas con nuestros cálculos, podemos determinar la temperatura. La temperatura récord se logra gracias a una nueva y divertida física que tiene que ver con la altísima simetría del sistema”.

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El modelo de Hubbard simulado en Kioto tiene una simetría especial conocida como SU(N). El SU significa grupo unitario especial, que es una forma matemática de describir la simetría. La N denota el posibles estados de espín de partículas dentro del modelo.

Cuanto mayor sea el valor de N, mayor será la simetría del modelo y la complejidad de los comportamientos magnéticos que describe. Los átomos de iterbio tienen seis posibles estados de espín, y el simulador de Kioto es el primero en revelar correlaciones magnéticas en un modelo SU(6) Hubbard. Este tipo de cálculos son imposibles de calcular en una computadora, según el estudio.

“Esa es la verdadera razón para hacer este experimento”, Hazzard dijo. “Porque nos morimos por conocer la física de este modelo SU(N) Hubbard”.

El estudiante graduado en el grupo de investigación de Hazzard y coautor del estudio, Eduardo Ibarra-García-Padilla, agregó que el modelo de Hubbard tiene como objetivo capturar los ingredientes básicos necesarios para que un material sólido sea un metal, un aislante, un imán o un superconductor. “Una de las preguntas fascinantes que pueden explorar los experimentos es el papel de la simetría”, said Ibarra-García-Padilla. “Tener la capacidad de diseñarlo en un laboratorio es extraordinario. Si podemos entender esto, puede guiarnos a hacer materiales reales con propiedades nuevas y deseadas”.

Actualmente, el equipo está trabajando en el desarrollo de las primeras herramientas capaces de medir el comportamiento que surge una milmillonésima de grado por encima del cero absoluto.

“Estos sistemas son bastante exóticos y especiales, pero la esperanza es que al estudiarlos y comprenderlos, podamos identificar los ingredientes clave que deben estar presentes en los materiales reales”. conculó Hazzard.

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