Inesperado comportamiento de los solitones oscuros en un superfluido fermiónico

Dibujo20130719 dark solitons in a fermionic superfluid

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.

Dibujo20130719 Creation and observation of solitons in a fermionic superfluid

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.

Dibujo20130719 Soliton oscillations in the BEC–BCS crossover

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.

10 pensamientos en “Inesperado comportamiento de los solitones oscuros en un superfluido fermiónico

  1. Off-topic: CMS ha visto un exceso de dimuones en la desintegración de mesones Bs que está 4,3 sigmas por encima de lo predicho por el SM mientras que LHCb ha visto un exceso a 4 sigmas (aunque se esperaban 5): http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor/43%CF%83_signal_dimuon_decays_bs_meson-116739
    ¿Indicio claro de nueva Física? ¿Son nuestros cálculos sobre las predicciones del SM lo suficientemente precisos? Que 2 experimentos distintos vean lo mismo con un exceso por encima de 4 sigmas parece indicar que tenemos algo más que una simple fluctuación estadística y el hecho de que podamos ¿predecir? la existencia de nuevas partículas de muy alta energía con la energía disponible en el LHC es muy esperanzador. ¿Estaremos por fin ante la puerta que nos conduce a nuevos fenómenos físicos?

    • El exceso es debido a la desintegración de Bs->mu mu, y en perfecto acuerdo con el SM. Lo de la nueva física tendrá que esperar por ahora…

      • Tienes razón orlin, yo juraría que había leído que el exceso de 4,3 sigmas era con respecto a la predicción del SM no respecto al background, está claro que lo leí mal. En fin, otra prueba más de la exactitud de las predicciones del SM, yo a veces dudo de que la próxima revolución científica vaya a venir de la mano de la física de partículas, es probable que otros campos distintos pero casi igual de fascinantes como la genética o la biología evolutiva nos traigan grandes avances en su lugar, pero quien sabe…

    • Decía Einstein que el misterio es la mayor emoción que el ser humano puede experimentar. Y decía que lo más incomprensible del universo es que sea comprensible, que sea lógico, es decir, que pueda explicarse matemáticamente dado que las matemáticas son la herramienta formal de la lógica por encima de nuestro lenguaje, más allá de donde nuestra mente puede describir. Allí donde el lenguaje es impotente para describirnos las realidades que si podemos capturar con las matemáticas, que funciona a la perfección, es falsable aquí y al otro lado del planeta, por un chino y por un español, sean creyentes, agnósticos o ateos pues toda la tecnología basada en la mecánica cuántica es para todos, no discrimina de credos ni de razas. Bien pues no queda una pregunta por contestar Por qué nuestro universo es lógico, por qué nuestro universo se acomoda a las matemáticas.
      Y yo propongo que responder a esta pregunta es cometido de una nueva física y que va más allá evidentemente que la física de partículas.

      El más, hasta el momento, la ciencia, la física con la herramienta y el modelo matemático, esta demostrando que parece que si, que puede entender al universo, que puede explicarlo todo. Pero contestar a la pregunta de por qué basa todo este conocimiento en base a las matemáticas, es decir, por qué el universo responde al lenguaje lógico de las matemáticas, está sin contestar.

      Pónganse a pensar lo que dijo Einstein y otros muchos científicos con estas u otras palabras similares: Cuál es la razón muy fundamental, constitutiva, natural de nuestro universo para que sea lógico o para que sea comprensible.

      Les comenté hace muchos meses aquí mi inquietud enmascarada en la cuestión de la información cuántica, patrones, leyes y Francis se tomé la molestia y fue muy amable de ponerme los enlaces de la investigación, pero que dadas mis limitaciones no puedo pretender sacar el jugo para sustentar aquí ninguna vía de acción. Me limito desde entonces a estar pendiente de los avances, a leerles, son interesantísimos. Pero del mismo modo que les otorgo mi más sincero reconocimiento, hago la siguiente crítica, -pido disculpas-esto me empieza a parecer aburrido por monótono, porque ha perdido el misterio al estilo de como lo señalaron y experimentaron los clásicos como Isaac Newton o Einstein.

      Y aunque a nadie le importa mi convicción ni tiene cabida en un foro de ciencia les diré que soy escéptica. Y como soy escéptica no puedo ser ni atea, ni creyente.

      Y que el confundir el ateo con el escéptico al estilo de todo eso que se publica bajo titulares que en vez de ciencia parecen consignas de tipo, los chicos del CERN y otras birras, no me parece científico. No estoy en ciencia para encontrar pruebas del ateísmo ni de ufología ni de la existencia de dioses, pero si para compartir preguntas e inquietudes de tipo, por que el universo es lógico ya que me da sentido a una continuidad en el avance en la investigación en la Física, en el momento en que a dicha ciencia se le angosten los caminos.

  2. Aprendamos de una vez por todas lo extraño de nuestro universo y lo ridículo que se ve discutir cuando nos posicionamos sobre las verdades últimas de su naturaleza. Demos carta de crédito a la ciencia, al método científico porque de todas las fórmulas de conocimiento es la única que avanza con pasos firmes y consistentes.

  3. El problema no está en el método científico sino en la abundancia de teorías y teoremas que respetan el método científico. Hay fenómenos físicos estudiados en el XVIII y el XIX que al no entenderse bien forman parte, en mi opinión, de la nueva física. Pero no por nuevos, sino por mal entendidos. Veamos un ejemplo más reciente; es sabido que la función de Schrödinger no ha logrado restarle dualidad al mundo cuántico, por un lado es determinista y reversible en el tiempo y por otro lado el colapso de la función de onda relacionado con la medición introduce una ruptura irreversible de la simetría temporal. ¿Resolver esto depende del método científico? En parte sí, pero también hay un dato que parece indicar que ciertos aspectos de la naturaleza material son evanescentes y difíciles de medir. Algunos autores (minoritarios) entienden que la función de Schrödinger no es enteramente aplicable a sistemas cuánticos cuya evolución no puede expresarse en términos de funciones de onda. Esto lleva el debate al núcleo de la cuántica y a sus incógnitas aún abiertas; en resumen, el problema no está en el método científico sino en las diferentes aproximaciones al mismo, que no siempre coinciden.

    Lejos del dominio de la física, en un plano existencial o sociológico, individuos, grupos y países se mueven bajo condiciones deterministas pero no siempre es así. La ruptura del consenso democrático en Egipto es un ejemplo evidente de la inestabilidad de un sistema macro (y político). El uso perverso de la tecnología para el control ciudadano a nivel planetario muestra que los poderes fácticos, públicos y privados, no se fían de la aparente libertad (indeterminada) de los actores sociales. Sombras que tratan de iluminar regiones de sombra, un hecho insólito y una perversión del método científico en el plano social.

  4. “El más, hasta el momento, la ciencia, la física con la herramienta y el modelo matemático, está demostrando que parece que sí, que puede entender al universo, que puede explicarlo todo. Pero contestar a la pregunta de por qué basa todo este conocimiento en base a las matemáticas, es decir, por qué el universo responde al lenguaje lógico de las matemáticas, está sin contestar”.

    Desde la lógica sintáctica es posible demostrar mediante enunciados que los números son símbolos universales lo suficientemente flexibles o adhesivos para acoplarlos a la materia, sus leyes y elementos resultando todo ello en una descripción consistente de la naturaleza. La cosa cambia cuando pretendemos hallar sentido o significado semántico al universo, aquí interviene el punto de vista del observador.

    “Pero del mismo modo que les otorgo mi más sincero reconocimiento, hago la siguiente crítica, -pido disculpas- esto me empieza a parecer aburrido por monótono, porque ha perdido el misterio al estilo de como lo señalaron y experimentaron los clásicos como Isaac Newton o Einstein…. No estoy en ciencia para encontrar pruebas del ateísmo ni de ufología ni de la existencia de dioses, pero si para compartir preguntas e inquietudes de tipo, por que el universo es lógico ya que me da sentido a una continuidad en el avance en la investigación en la Física, en el momento en que a dicha ciencia se le angosten los caminos”.

    La física no tiene por qué ser divertida, y la particular y subjetiva interpretación del método científico menos todavía. Lo malo no es esto, sino desembocar en callejones sin salida, en resultados ambiguos y poco consistentes. Yo también soy escéptico y precisamente por serlo ni afirmo ni niego la existencia de ovnis, de divinidades y cosas parecidas, mantengo los ojos bien abiertos a la espera de resultados. Yo lo llamo el escepticismo saludable, que entiendo que está en las antípodas del dogmatismo. El aburrimiento, el dogmatismo y la perplejidad ante ciertos hechos existenciales es en parte responsabilidad nuestra porque depende de nosotros afinar nuestra percepción científica y existencial.

    Algunos dirán que nadie vendrá a darle sentido a nuestras vidas porque cada uno va a su bola, en este sentido no somos responsables de lo que nos ocurre pues estamos al albur de fuerzas que nos sobrepasan. A partir de ahí la donación de sentido, científico y existencial, es una lucha individual y grupal, un debate dialéctico y moral en el que todos participamos y del que todos aprendemos. Si bien se puede invocar la sabiduría universal como un hecho sintáctico, la respuesta a la misma depende de la semántica o sentido con que cada uno de nosotros analizamos y sentimos esa sabiduría. Los pocos sabios que he conocido en la vida, no más de dos o tres personas, me han hecho mejor persona pero también tengo que decir que la sabiduría de los demás no garantiza la nuestra, el trabajo individual es ineludible.

  5. … “yo a veces dudo de que la próxima revolución científica vaya a venir de la mano de la física de partículas”…

    Yo también lo dudo, pero también dudo del sentido que aplicamos a la expresión revolución científica. Algunas de las áreas más vanguardistas de la física, que a primera vista podrían considerarse revolucionarias, no lo son. Por el contrario, revolucionar la física (lo que esto signifique) obliga a volver a los clásicos, lo que supone un movimiento anti-revolucionario en el sentido temporal del término. Cuidado, no propugno un retorno a lo antiguo y menos digo que los experimentos con las partículas de alta energía sean irrelevantes, al contrario. Simplemente anoto que el concepto de revolución científica está sometido a crítica, entre otras razones porque la inconmensurabilidad de las teorías tiene un aspecto poroso y frágil. Pero como la ciencia la hacen mujeres y hombres con sus filias y fobias, razones y emociones, lo que se entienda por revolucionario queda al albur de la subjetiva interpretación del método científico y sus maneras de definirlo.

    • Gracias Artemio, muchas gracias por tus siempre sacudidoras y certeras precisiones que tengo en cuenta. Coincido plenamente en que hay cuestiones pendientes por resolver como la que expusiste en tu comentario de ayer, muy sustanciosa por cierto, y otra que a mi especialmente me preocupa de cómo es posible que en el universo local donde necesito que dos fenómenos interfieran, puede coexistir otro de naturaleza “no local”, tal y como se pone de manifiesto en el entrelazamiento cuántico. Por ejemplo, que el espín de dos electrones esté entrelazado y esta información sea afectada sin mediar el espacio tiempo es una cuestión tanto de los clásicos como de vigencia para los físicos de hoy, por lo que concluyo que es una suerte que aún no podemos negar el misterio en la Física y dar rienda suelta a la faceta más conmovedora en el ser humano que es su curiosidad.

      Los sigo leyendo con sumo interés.

  6. Sobre la cuestión del entrelazamiento y la no localidad poco puedo decir porque no lo he estudiado. Si dos partículas tienen el espín entrelazado con independencia de la distancia que las separa conduce a pensar que el universo está recorrido por un tipo de información muy sutil que hace que algunos eventos se produzcan de forma instantánea. También supongo que estamos hablando de sistemas cuánticos, disposiciones de fotones y electrones, pero no de objetos macroscópicos. En cuanto disponga de tiempo consultaré este tema con más detenimiento, y si tengo algo relevante que exponer lo escribiré. Saludos.

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