Un gas superfluido rotativo de fermiones perforados con vórtices. Crédito de la imagen: MIT. Click para agrandar.
Los científicos del MIT han llevado un final súper frío a una carrera acalorada entre los físicos: se han convertido en los primeros en crear un nuevo tipo de materia, un gas de átomos que muestra superfluidez a altas temperaturas.
Su trabajo, que se informará en la edición del 23 de junio de Nature, está estrechamente relacionado con la superconductividad de los electrones en los metales. Las observaciones de superfluidos pueden ayudar a resolver preguntas persistentes sobre la superconductividad de alta temperatura, que tiene aplicaciones generalizadas para imanes, sensores y transporte de electricidad con eficiencia energética, dijo Wolfgang Ketterle, premio Nobel que encabeza el grupo MIT y que es el John D. MacArthur Profesor de Física.
Ver el gas superfluido tan claramente es un paso tan dramático que Dan Kleppner, director del MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, dijo: “Esta no es una pistola humeante para la superfluidez. Esto es un cañón.
Durante varios años, grupos de investigación en todo el mundo han estado estudiando gases fríos de los llamados átomos fermiónicos con el objetivo final de encontrar nuevas formas de superfluidez. Un gas superfluido puede fluir sin resistencia. Se puede distinguir claramente de un gas normal cuando se gira. Un gas normal gira como un objeto ordinario, pero un superfluido solo puede girar cuando forma vórtices similares a los mini tornados. Esto le da al superfluido giratorio la apariencia de queso suizo, donde los agujeros son los núcleos de los mini-tornados. "Cuando vimos la primera imagen de los vórtices aparecer en la pantalla de la computadora, fue simplemente impresionante", dijo el estudiante graduado Martin Zwierlein al recordar la noche del 13 de abril, cuando el equipo vio por primera vez el gas superfluido. Durante casi un año, el equipo había estado trabajando en hacer campos magnéticos y rayos láser muy redondos para que el gas pudiera ponerse en rotación. "Fue como lijar los golpes de una rueda para hacerla perfectamente redonda", explicó Zwierlein.
“En los superfluidos, así como en los superconductores, las partículas se mueven a la par. Forman una gran onda mecánica cuántica ”, explicó Ketterle. Tal movimiento permite a los superconductores transportar corrientes eléctricas sin resistencia.
El equipo del MIT pudo ver estos vórtices superfluidos a temperaturas extremadamente frías, cuando el gas fermiónico se enfrió a aproximadamente 50 billonésimas de grado Kelvin, muy cerca del cero absoluto (-273 grados C o -459 grados F). "Puede sonar extraño llamar superfluidez a 50 nanokelvin de superfluidez a alta temperatura, pero lo que importa es la temperatura normalizada por la densidad de las partículas", dijo Ketterle. "Ahora hemos alcanzado con mucho la temperatura más alta". Escalada a la densidad de electrones en un metal, la temperatura de transición superfluida en gases atómicos sería más alta que la temperatura ambiente.
Los miembros del equipo de Ketterle fueron los estudiantes graduados del MIT Zwierlein, Andre Schirotzek y Christian Schunck, todos los cuales son miembros del Centro de Átomos Ultrafríos, así como el ex estudiante graduado Jamil Abo-Shaeer.
El equipo observó superfluidez fermiónica en el isótopo de litio-6 que comprende tres protones, tres neutrones y tres electrones. Dado que el número total de constituyentes es impar, el litio-6 es un fermión. Usando láser y técnicas de enfriamiento evaporativo, enfriaron el gas cerca del cero absoluto. Luego atraparon el gas en el foco de un rayo láser infrarrojo; Los campos eléctricos y magnéticos de la luz infrarroja mantenían los átomos en su lugar. El último paso fue hacer girar un rayo láser verde alrededor del gas para ponerlo en rotación. Una imagen en la sombra de la nube mostró su comportamiento superfluido: la nube fue perforada por una serie regular de vórtices, cada uno del mismo tamaño.
El trabajo se basa en la creación anterior del grupo MIT de condensados de Bose-Einstein, una forma de materia en la que las partículas se condensan y actúan como una gran ola. Albert Einstein predijo este fenómeno en 1925. Posteriormente, los científicos se dieron cuenta de que la condensación y la superfluidez de Bose-Einstein están íntimamente relacionadas.
En noviembre de 2003, equipos independientes de la Universidad de Colorado en Boulder, la Universidad de Innsbruck en Austria y el MIT observaron la condensación de Bose-Einstein de pares de fermiones que estaban unidos libremente como moléculas. Sin embargo, observar la condensación de Bose-Einstein no es lo mismo que observar la superfluidez. Estos grupos y la Ecole Normale Superieure de París, la Universidad de Duke y la Universidad de Rice realizaron más estudios, pero la evidencia de superfluidez fue ambigua o indirecta.
El gas fermi superfluido creado en el MIT también puede servir como un sistema modelo fácilmente controlable para estudiar las propiedades de formas mucho más densas de materia fermiónica, como los superconductores sólidos, las estrellas de neutrones o el plasma de quark-gluón que existía en el universo primitivo.
La investigación del MIT fue apoyada por la National Science Foundation, la Oficina de Investigación Naval, la NASA y la Oficina de Investigación del Ejército.
Fuente original: Comunicado de prensa del MIT
