Extraños cambios de fase abren caminos para tecnologías futuras basadas en superfluidos

Podemos aprender mucho al estudiar los cambios microscópicos y macroscópicos de una sustancia a medida que pasa de una fase a otra, por ejemplo, del hielo al agua y al vapor. Un nuevo estudio australiano examina los sistemas que pasan de un fluido ‘normal’ a un estado cuántico conocido como superfluido, que puede fluir sin fricción, con el objetivo de futuras tecnologías cuánticas basadas en superfluidos, como la electrónica de energía ultrabaja. Se puede aprender mucho estudiando los cambios microscópicos y macroscópicos de una sustancia a medida que pasa de una fase a otra, por ejemplo, del hielo al agua y al vapor.

Pero si bien estos cambios de fase se comprenden bien en el caso del agua, poco se sabe sobre la dinámica cuando el sistema pasa de ser un fluido normal a un superfluido, que puede fluir sin fricción, es decir, sin perder energía.

Un nuevo estudio en Swinburne que monitorea la transición del gas atómico de líquido ordinario a superfluido proporciona nuevos conocimientos sobre la formación de estos estados fascinantes, con el objetivo de futuras tecnologías cuánticas basadas en superfluidos, como la electrónica de energía ultrabaja.

Se observó que la formación de superfluidos abarca una serie de escalas de tiempo diferentes, asociadas con diferentes procesos dinámicos que ocurren cuando se cruzan los límites de fase.

Comprender las transformaciones dinámicas hacia las tecnologías del futuro.

Como proceso dinámico y desequilibrado, las transiciones de fase son difíciles de entender desde una perspectiva teórica, dentro de estos fascinantes y potencialmente útiles estados de la materia.

Estos fenómenos desequilibrados en los sistemas cuánticos de muchos objetos implican una compleja interacción de correlaciones que abarcan escalas espaciales y temporales muy diferentes. El acceso a la dinámica completa en la mayoría de los materiales puede bloquearse mediante escalas de tiempo ultracortas.

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Las tecnologías futuras basadas en estados cuánticos, como superfluidos o superconductores, deberán ‘activarse’ (activarse / desactivarse), por lo que comprender cómo evolucionan los sistemas después de cambiar responde a preguntas fundamentales importantes, como qué tan rápido pueden operar estos dispositivos.

La formación de un superfluido implica el movimiento coherente de muchos componentes microscópicos dentro de un gran grupo de partículas de la mecánica cuántica.

“Los gases diluidos de los átomos ultrafríos permiten mediciones de dinámica en tiempo real en escalas de tiempo accesibles”, explica el autor principal, el Dr. Paul Dyck (Swinburne).

“Aquí usamos un gas muy frío de átomos de fermiones altamente reactivos (es decir, gas de Fermi), para estudiar cómo se acumula el enlace requerido para formar un superfluido después de una repentina extinción de las reacciones. Esto desequilibra el sistema”.

“Al medir la dinámica posterior a medida que el sistema vuelve al equilibrio, podemos resolver las diferentes escalas de tiempo involucradas, con el fin de construir las diferentes correlaciones. Estas escalas de tiempo se basan en escalas de longitud correspondientes, con correlaciones de corto plazo y la formación de pares desarrollándose rápidamente, mientras que la distribución del impulso puede tardar varios órdenes de magnitud más en alcanzar el equilibrio “.

El nuevo experimento mostró que:

  • La formación y condensación de pares de fermiones puede ocurrir en escalas de tiempo muy diferentes, dependiendo de la velocidad de enfriamiento.
  • Se ve que el parámetro de conectividad responde muy rápidamente a los cambios en la fuerza de la interacción, lo que indica que las correlaciones de corto alcance evolucionan mucho más rápidamente que las correlaciones de largo alcance necesarias para la formación de un condensado de Bose-Einstein a partir de pares de átomos.
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El parámetro de conectividad especifica la probabilidad de encontrar dos átomos muy próximos entre sí, y aumenta considerablemente cuando los átomos forman pares.

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