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» » La observación del ‘segundo sonido’ en un gas cuántico

Referencia: Science.Daily.com, 15 de mayo 2013

El segundo sonido es un fenómeno de la mecánica cuántica, que se ha observado solamente en el helio superfluido. Los físicos de la Universidad de Innsbruck, Austria, en colaboración con colegas de la Universidad de Trento, Italia, ya han demostrado su propagación como onda de temperatura en un gas cuántico.

Los científicos han publicado estos históricos hallazgos en la revista Nature. Por debajo de una temperatura crítica, ciertos líquidos se convierten en superfluidos y pierden la fricción interna. Además, los fluidos en este estado de conducción se calientan de manera en extremo eficiente, junto con el transporte de energía producido en una onda de temperatura distinta. Debido a sus similitudes con una onda de sonido, la onda de la temperatura también se llama ‘segundo sonido’.

Para explicar la naturaleza de los superfluidos, el famoso físico Lev Landau desarrolló la teoría hidrodinámica de los dos fluidos en Moscú, en 1941. Se supone que los fluidos a estas bajas temperaturas comprenden un superfluido y un componente normal, y este último desaparece gradualmente con la disminución de temperatura. Hasta ahora, la superfluidez había sido observada experimentalmente sólo en el helio líquido y en los gases cuánticos ultrafríos. Otro ejemplo de sistema superfluido es una estrella de neutrones, y también se han encontrado evidencias en el núcleo atómico. La superfluidez está estrechamente relacionada con la importante tecnológicamente superconductividad, el fenómeno de la resistencia eléctrica cero a temperaturas muy bajas.

Observación de las ondas de temperatura

Los gases cuánticos ultrafríos son sistemas modelo ideales para observar experimentalmente fenómenos mecánicos cuánticos tales como la superfluidez. En estos experimentos, cientos de miles de átomos se enfrían en una cámara de vacío casi al cero absoluto (-273,15 º C). Mediante el uso de láseres, las partículas en este estado pueden ser controladas y manipuladas de forma eficiente y con alta precisión. "A pesar de una intensa investigación en este campo durante más de diez años, el fenómeno del ‘segundo sonido’ se ha mostrado esquivo a su detección en los gases cuánticos", comenta Rudolf Grimm, del Instituto de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck y del Instituto de Información Óptica y Cuántica de la Academia Austríaca de Ciencias.

"Sin embargo, al final fue increíblemente fácil de probar". En el laboratorio, el equipo de físicos cuánticos de Grimm preparó un gas cuántico compuesto de alrededor de 300.000 átomos de litio. Calentaron la nube de partículas local con forma de cigarro con un haz de láser de potencia modulada, y luego observaron la onda de temperatura propagándose. "Mientras que en el helio superfluido sólo se genera una onda de entropía, nuestra gas de Fermi también exhibió una cierta expansión térmica y, por lo tanto, una onda de densidad medible", explicaba Grimm como diferencia crucial. También fue la primera vez que los físicos de Innsbruck pudieron medir una fracción de superfluido en un gas cuántico. "Antes de nosotros nadie había logrado este objetivo, con el cual se cierra una brecha fundamental en la investigación de los gases de Fermi", declara Rudolf Grimm.

Confirmando una teoría después de 50 años

La investigación, publicada en la revista Nature, es el resultado de una estrecha colaboración a largo plazo entre los físicos de Innsbruck y los científicos italianos. Los físicos teóricos del Trento Bose-Einstein Center dirigidos por Sandro Stringari y Lev Pitaevskii adaptaron la teoría de Lev Landau sobre la descripción del ‘segundo sonido’ de una geometría casi unidimensional de los experimentos de Innsbruck. En realidad, Lev Pitaevskii fue uno de los discípulos de Lev Landau. "Con este modelo ha sido fácil interpretar los resultados de nuestras mediciones", añade Grimm. "Además, nuestros colegas de Trento apoyaron intensamente nuestro experimento conceptual.

Los resultados representan el pináculo de colaboración con nuestra universidad asociada de Trento, y es un índice vital de la cooperación en investigación dentro de la región europea del Tirol-Alto Adigio-Trentino." En junio, la Universidad de Innsbruck otorgará un Doctorado Honoris Causa a Lev Pitaevskii por su estrecha colaboración con los científicos locales.

Los científicos están financiados por el Fondo Científico de Austria (FMF) y el Consejo Europeo de Investigación (ERC).


- Imagen: La nube de partículas en forma de cigarro se calienta localmente con un haz de láser de potencia modulada (verde). Crédito: IQOQI / Ritsch.
- Fuente: University of Innsbruck, via AlphaGalileo.
- Publicación: Leonid A. Sidorenkov, Meng Khoon Tey, Rudolf Grimm, Yan-Hua Hou, Lev Pitaevskii, Sandro Stringari. Second sound and the superfluid fraction in a Fermi gas with resonant interactions. Nature, 2013; DOI: 10.1038/nature12136 .
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