Los fermiones fríos podrían simular superconductores

Cámara de vacío, ópticas y bobinas magnéticas usadas en el experimento del aislante Mott en Zurich. (Cortesía: Henning Moritz).

Físicos de Suiza y Francia han producido un gas de átomos fríos atrapados que imita las características de los superconductores de estado sólido. Confinando átomos de potasio a temperaturas de una fracción de grado sobre el cero absoluto en un patrón de profundos pozos de potencial – similar a los huevos en una cartonera — los investigadores liderados por Tilman Esslinger de la ETH Zurich han creado el primer ejemplo de átomos fermiónicos que se comportan como un aislante Mott.

Un aislante Mott se forman cuando las interacciones entre los electrones de un sólido cristalino evitan que los electrones de conducción se muevan libremente entre los átomos. Mucho fenómenos importantes de la física de materia condensada, incluyendo la superconductividad a alta temperatura, tienen lugar cuando el material está casi en fase de aislante Mott. La razón de la transición a esta superconductividad de alta temperatura no se comprende completamente, no obstante, aplicar el modelo teórico predominante (conocido como modelo de Hubbard) a los sólidos complejos a temperaturas relativamente altas se convierte en un dolor de cabeza computacional.

‘Simuladores cuánticos’

Los sistemas atómicos como la red de potasio de Zurich son mucho más simples y fáciles de manipular, y pueden usarse como “simuladores cuánticos” en el cual un sistema cuántico puede imitar el comportamiento de otro más completo. En la analogía atómica de un aislante Mott, los ratos láser que se intersectan forman una “red óptica” similar a un cristal de pozos de potencial, con un átomo en cada pozo. Si los pozos son lo bastante profundos, los átomos no pueden saltar fuera o canalizarse a través de la red y se forma el “aislante”.

El primer aislante Mott se creó en 2002 por investigadores de Munich usando átomos de rubidio bosónico ultrafríos. Pero los electrones son fermiones, por lo que el experimento de Zurich está un paso más cerca de un simulador cuántico de sistemas de estado sólido, dice Henning Moritz, autor del artículo del grupo de Zurich, que apareció en el ejemplar de Nature el 11 de septiembre.

Difícil de observar

Los bosones para por una fase de transición abrupta y relativamente fácil de detectar de un condensado Bose-Einstein a un aislante Mott. Tal transición no ocurre en los fermiones debido a las diferencias de sus propiedades cuánticas, por lo que la aparición del aislante Mott es más difícil de observar.

En lugar de esto, el equipo de demostró que casi ninguno de los lugares de la red del experimento fueron ocupados por más de un átomo — un requisito clave para que exista un aislante Mott (Nature 455 204).

Para hacer esto, aprovecharon un fenómeno conocido como resonancia Feshbach para hacer que pares de átomos se repelan entre sí, de tal forma que incluso fermiones con distintos estados de espín (los cuales pueden tener la misma energía bajo el principio de exclusión de Pauli) no estén “contestos” de compartir la misma posición en la red. Los átomos atrapados son sometidos entonces a un pulso de luz de radiofrecuencia, el cual invierte el espín de un átomo de cada par, pero deja los átomos intactos. Registrado imágenes de “sombra” de los átomos en distintos estado de espín, el equipo fue capaz de demostrar que sólo un 1 % de los sitios de la red contenían más de un átomo.

Más por hacer

Algunos científicos elevaron una nota de cautela sobre el resultado. “Definitivamente ven evidencias muy sólidas de interacciones fuertes entre las partículas suprimiendo la doble ocupación, pero desde mi punto de vista, esto no es suficiente para demostrar un estado de aislante Mott”, dice Immanuel Bloch de la Universidad de Mainz, quien lideró el equipo que demostró el primer aislante Mott. Otro requisito clave, dice, es demostrar que el sistema no puede ser comprimido – además de no tener lugares doblemente ocupadas, la red tampoco puede tener “huecos”. Un artículo relacionado de Bloch y sus colegas de Mainz y Colonia, en el que describen un método rival para crear y detectar un aislante Mott en fermiones atómicos, apareció ayer en el archivo de pre-impresión de Arxiv (arXiv:0809.1464).

Moritz acepta que los experimentadores de Zurich no tienen pruebas directas de una red incompresible o “libre de huecos”, pero dice que su sistema es lo bastante frío para que existan algunos huecos. “Una medida directa de la compresibilidad sería algo maravilloso, pero incluso sin eso tenemos muy claro que lo que hemos visto sólo es consistente con un aislante Mott”, dice.

Tanto Moritz como Bloch están de acuerdo en que un aislante Mott es el único primer paso hacia usar átomos fríos para probar nuestra comprensión de la superconductividad a alta temperatura. El siguiente hito, dice Moritz, sería mostrar un aislante Mott antiferromagnético, en el que los átomos fermiónicos en lugares vecinos de la red tengan espines opuestos, y puedan por tanto saltar entre lugares de la red durante breves periodos de tiempo.

Bajar el calor

Para lograr esto, los experimentadores tienen que producir temperaturas dos o tres veces más frías de lo que han alcanzado hasta ahora para los fermiones, dijo Bloch, aunque imitar la superconductividad a alta temperatura probablemente requeriría un factor superior de 100.

Aún así, el actual resultado es importante, dijo Moritz, debido a que representa una nueva forma de estudiar los sistemas de estado sólido. “Lo que hemos hecho es simular estos interesantísimos sistemas cuánticos de una forma más controlada”, dijo.


Autor: Margaret Harris
Fecha Original: 11 de septiembre de 2008
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Comment (1)

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