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.

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Francis en Trending Ciencia: El primer transistor óptico que conmuta con un solo fotón

Dibujo20130612 atomtronic transistor - optical transistor using BEC

El audio de mi nuevo podcast sobre Física en Trending Ciencia lo puedes escuchar siguiendo este enlace. Como siempre, una transcripción con algunas figuras.

Un transistor óptico controlado por un sólo fotón. El artículo aún sin publicar en la revista Science tiene como autora principal a la Dra. Wenlan Chen del MIT (Instituto Técnico de Massachusetts, Boston, EEUU). Este transistor está formado por un condensado de Bose-Einstein (BEC) de átomos de cesio ultrafrío. Por defecto, la luz de un láser que incide sobre el BEC lo atraviesa (estado “on”). El envío de un fotón adecuado excita el BEC de tal forma que cambia a un estado “off” y la luz láser es bloqueada. Un transistor ideal para ordenadores completamente ópticos. Nos lo ha contado Devin Powell, “Light flips transistor switch. Photons emerge as competitors to electrons in computer circuits,” Nature 498: 149, 13 Jun 2013.

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Francis en Trending Ciencia: Solitones en estados condensados de Bose-Einstein

Dibujo20130526 solitary wave reflecting from the barrier

Ya puedes disfrutar mi nuevo podcast para Trending Ciencia siguiendo este enlace. Como siempre, una transcripción del audio.

Como tema he elegido un artículo aparecido en la revista Nature Communications el pasado 14 de mayo titulado “Controlled formation and reflection of a bright solitary matter-wave,” o “Formación controlada y reflexión de ondas de materia.” Su primera autora, Anna Marchant, es doctoranda en la Universidad de Durham, Reino Unido, en el grupo de investigación de Simon Cornish. En este artículo se ha logrado propagar un solitón en un condensado Bose-Einstein de átomos de rubidio 85 a lo largo de una distancia de ~1,1  mm durante unos 150  ms. El solitón se ha propagado sin cambiar de forma (sin dispersión apreciable). Además se ha estudiado la reflexión de dicho solitón contra una barrera de potencial repulsiva con forma de gaussiana. Aunque aún no se ha observado el efecto túnel (la transmisión del solitón a través de la barrera) ni tampoco las colisiones mutuas entre varios solitones, este nuevo trabajo me ha resultado muy interesante, pues combina dos de mis pasiones, la teoría de solitones y los estados de Bose-Einstein como análogos de medios ópticos no lineales. Como siempre, permíteme que te cuente qué es un solitón, qué es un condensado de Bose-Einstein y que resuma los resultados que se han logrado.

El artículo técnico es A. L. Marchant, T. P. Billam, T. P. Wiles, M. M. H. Yu, S. A. Gardiner & S. L. Cornish, “Controlled formation and reflection of a bright solitary matter-wave,” Nature Communications 4: 1865, 14 May 2013.

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El caos cuántico en condensados de Bose-Einstein con acoplamiento espín-órbita

Dibujo20130128 Real-space -left- momentum density -right- distributions for a spin-orbit-coupled gas of bosons in a chaotic regime

En general, un sistema físico clásico es no lineal, disipativo y caótico; por el contrario, uno cuántico es lineal, conservativo y estocástico. Todo sistema clásico es cuántico (se puede “cuantizar”), pero hay sistemas cuánticos sin análogo clásico. El caos cuántico describe lo que le sucede a un sistema cuántico que tiene un análogo clásico que es caótico (en el sentido del caos determinista en sistemas disipativos). ¿Se puede aplicar el concepto de caos cuántico a sistemas cuánticos sin análogo clásico? Un condensado de Bose-Einstein es un sistema cuántico macroscópico, pero su límite clásico como sistema de muchos cuerpos no está bien definido (la estadística cuántica no tiene análogo clásico). Sin embargo, podemos usar la estadística de las fluctuaciones de los niveles de energía y de las funciones de onda de estos sistemas macroscópicos para estudiar en laboratorio su grado de caos (“caoticidad”) y la transición de comportamiento regular a caótico. Un nuevo artículo propone el estudio del caos cuántico en condensados de Bose-Einstein que presentan acoplamiento espín-órbita. Utilizando láseres se puede inducir cambios entre los dos estados del espín de cada uno de los átomos del condensado y gracias a estos cambios en espacio y tiempo se puede inducir, según la nueva propuesta, una transición entre un comportamiento cuántico regular y caótico. La propuesta, por ahora, es solo teórica y está basada en argumentos cuasiclásicos, pero parece razonable que pueda ser demostrada de forma experimental. En su caso, sería el sistema caótico cuántico ideal para estudiar en laboratorio el caos cuántico en sistemas cuánticos sin análogo clásico. Nos cuenta esta sugerente propuesta Eva-Maria Graefe, “Viewpoint: Quantum Chaos on Display,” Physics 6: 9, Jan 22, 2013, que se hace eco del artículo técnico de Jonas Larson, Brandon M. Anderson, Alexander Altland, “Chaos-driven dynamics in spin-orbit-coupled atomic gases,” Physical Review A 87: 013624, Jan 22, 2013 [PDF gratis]. Me ha enterado gracias a un tuit de Mauricio Zapata (@mezvan): “creo que esto es un buen trabajo para…

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Publicado en Science: Un condensado de Bose-Einstein arrojado desde 120 metros de altura confirma la teoría de la gravedad de Einstein

Un condensado de Bose-Einstein (BEC) formado por átomos de rubidio enfriados a 9 nanokelvin encerrado en una cápsula de 60×60×215 (cm) ha sido arrojado en caída libre desde 120 m. de altura. El experimento confirma el principio de equivalencia en el que se basa la gravedad de Einstein como hasta ahora nadie había logrado. La gravedad residual en el experimento de microgravedad es una millonésima de la gravedad terrestre. El láser y la interferometría óptica nos ha permitido medidas extremadamente precisas de muchos efectos cuánticos. Gracias a la interferometría atómica en BEC permite medidas ultraprecisas de los efectos de la gravedad en sistemas cuánticos (se ha estimado que se llegará a una exactitud de una parte en 1016). Aunque este nuevo experimento confirma la validez de la gravedad clásica y por tanto no ofrece sorpresas, abre paso a futuros estudios de alta precisión sobre posibles violaciones cuánticas de la gravedad. Por ejemplo, un BEC es un estado cuántico macroscópico en el que millones de átomos en un estado tipo bosón que se encuentran en su estado de mínima energía y se describen con una función de onda cuántica macroscópica, pero también se pueden construir BEC con átomos que actúan como fermiones, que se emparejan formando bosones y se condensan, lo que permitirá estudiar si la gravedad actúa por igual en bosones y fermiones. Un nuevo concepto experimental revolucionario, como nos cuentan los brasileños Paulo Nussenzveig y João C. A. Barata, “Physics: A Drop of Quantum Matter,” Perspectives, Science 328: 1491-1492, 18 June 2010, haciéndose eco del artículo técnico de T. van Zoest et al., “Bose-Einstein Condensation in Microgravity,” Science 328: 1540-1543, 18 June 2010. Una tesis doctoral sobre este experimento está disponible en la web: Wojciech Lewoczko-Adamczyk, “Bose-Einstein Condensation in Microgravity. Trapping of dilute quantum-degenerate gases in ultra-shallow magnetic traps under microgravity conditions,” Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät I, Humboldt-Universität zu Berlin, 2009. Muchos medios se han hecho eco de esta gran noticia, como Laura Sanders, “Physics in free fall. Dropping supercold atoms may prove useful for understanding general relativity,” ScienceNews, June 18, 2010.

PS (23 junio 2010): Malén Ruiz de Elvira, “Caída libre cuántica. Un experimento pionero registra el comportamiento de miles de átomos tirados desde una altura de 146 metros,” El País, 23/06/2010, me ha traído a la memoria la charla de Mónica Salomone, “La Astronomía que Viene – Marte es una estrella … de la tele,” Madri+d Mediateca. Mónica está muy nerviosa en su charla y muestra poco dominio de la dicción, pero la charla es interesante.

Transición de fase cuántica de superfluido a un estado de Mott observada en un condensado de Bose-Einstein en una red óptica

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Las transiciones de fase cuánticas están relacionadas con la superconductividad de alta temperatura pero son muy difíciles de estudiar experimentalmente. Normalmente presentan múltiples fases cuánticas simultáneamente lo que complica mucho la interpretación de las medidas experimentales. Los condensados de Bose-Einstein (BEC) son ideales para estudiarlas pero se requiere una técnica que retenga el condensado durante las medidas. Las redes ópticas son ideales para ello ya que permiten retener los átomos ultrafríos mientras se realizan medidas sobre sus propiedades cuánticas, como han demostrado Nathan Gemelke et al. en Nature en un artículo en el que presentan la observación de la transición cuántica del BEC entre un estado superfluido y una fase de tipo Mott (muy importante en el estudio de superconductores). El artículo técnico es Nathan Gemelke, Xibo Zhang, Chen-Lung Hung, Cheng Chin, “In situ observation of incompressible Mott-insulating domains in ultracold atomic gases,” Nature 460: 995-998, 20 August 2009 [ArXiv preprint].

La observación de la transición de fase cuántica (las transiciones de fase que pueden ocurrir incluso a temperatura cero) entre un estado de superfluido y un estado aislante de Mott se obervó por primera vez en 2002 (publicado en Nature). Desafortunadamente su estudio en detalle es muy difícil porque en la muestra se mezclan múltiples fases cuánticas lo que complica la interpretación de las medidas. Gemelke et al. han logrado resolver ópticamente la estructura espacial del condensado de Bose-Einstein (BEC) durante la transición de fase, lo que permite estudiar en detalle todas sus propiedades, incluyendo la medida directa de la temperatura finita de sistema. Han utilizado un BEC de átomos de cesio que han comprimido verticalmente para que se acople a la red óptica. Los resultados experimentales verifican varios resultados teóricos previos sobre la estructura general de la transición mostrando detalles más allá de la teoría que requerirán avances teóricos futuros.