Fahrenheit -459: Estrellas de neutrones y Teoría de Cuerdas en el laboratorio

Teoría de CuerdasÁtomos congelados dan pistas sobre el espacio profundo y la física de partículas.

Usando lásers que contienen algunos átomos ultra-enfriados, un equipo de científicos ha medido la viscosidad, o pegajosidad, de un gas a menudo considerado como el sexto estado de la materia. Las medidas verifican que este gas puede usarse como un “modelo a escala” de materia exótica, tal como superconductores de alta temperatura, la materia nuclear de las estrellas de neutrones, e incluso el estado de la materia creado microsegundos después del Big Bang.

Los resultados pueden también permitir pruebas experimentales de la Teoría de Cuerdas en un futuro.

El físico de Duke John Thomas hizo las medidas de viscosidad usando un gas de Fermi ultra-frío de átomos de litio-6 atrapados en un vaso de tamaño milimétrico hecho de luz láser. Cuando se enfría y se coloca dentro de un campo magnético del tamaño adecuado, los átomos interactúan tan fuerte como permiten las leyes de la mecánica cuántica. Este gas de fuerte interacción exhibe unas “propiedades notables”, tales como un flujo casi sin fricción, comenta Thomas.

El informe del equipo aparece en el ejemplar del 10 de diciembre de la revista Science.

Bajo las condiciones ultra-frías, las propiedades del gas se determinan mediante una regla universal, o escala de longitud natural, de la misma forma que la escala en los bocetos de un arquitecto. La regla para el gas atómico es el espaciado medio entre los átomos. De acuerdo con la física cuántica, este espaciado determina todo el resto de escalas naturales, tales como la escala para energía, temperatura y viscosidad, haciendo que el gas ultra-frío sea un modelo a escala para otra materia exótica. Thomas dice que él y otros han verificado que el gas es un modelo a escala universal para propiedades como la temperatura, pero esta es la primera vez que lo han comprobado para la escala de viscosidad, lo cual resulta ser de particular interés para los científicos justo ahora.

Thomas midió por primera vez la viscosidad del gas a unas pocas mil millonésimas de Kelvin, o -459 grados Fahrenheit. Apagando la trampa que confina el gas, y luego recapturándolo, se provocó la vibración del radio del gas de Fermi. La oscilación, conocida como modo de respiración, recuerda el temblor de un trozo de gelatina. Cuando más duraban las vibraciones, menor era la viscosidad. A unas temperaturas ligeramente más altas, de millonésimas de Kelvin, los investigadores observaron cómo de rápido cambiaba el gas de la forma de un cigarro a la de un crepe después de ser liberado de la trampa. Un cambio más lento en la forma tenía una mayor viscosidad.

Estos resultados son “extremadamente importantes para el campo de la física de materia condensada y para la superconductividad de alta temperatura en concreto”, dice Kathy Levin, teórica de la Universidad de Chicago, que no estuvo implicada en la investigación. Dice que la viscosidad del gas de Fermi es similar a la conductividad de un superfluido, el cual fluye sin resistencia. Esta “fluidez perfecta” también se observa en el mundo de la materia condensada, especialmente en materiales usados para crear superconductores de alta temperatura. Los nuevos datos, especialmente a temperaturas menores, “parecen bastante consistentes” con las predicciones de cómo deberían fluir los superconductores, comenta Levin.

El gas de Fermi como modelo de escala también es importante para estudiar elementos del cosmos que los científicos no pueden sondear en un laboratorio, dice el físico de Duke Berndt Mueller. Incluso un trozo muy pequeño de una estrella de neutrones, una estrella muerta que no se ha convertido en un agujero negro, pesaría miles de millones de toneladas en la Tierra, y sería demasiado denso para estudiarlo. Los datos que muestran las propiedades universales del gas de Fermi, sin embargo, permiten a los físicos calcular la escala del espaciado del litio-6 al que hay entre los neutrones en las estrellas de neutrones. Las medidas realizadas en el gas de Fermi pueden luego usarse para determinar la energía natural y otras propiedades de estas estrellas, las cuales pueden compararse con las predicciones teóricas. Pueden realizarse cálculos similares para el plasma de quark-gluón, el estado de la materia creado justo microsegundos después del Big Bang y que está siendo estudiada en los aceleradores de partículas tales como el Gran Colisionador de Hadrones en Ginebra.

Thomas dijo que los nuevos resultados también dieron una visión experimental sobre las predicciones hechas usando la Teoría de Cuerdas, la construcción matemática que unifica el mundo clásico de la gravedad con el de la física cuántica. Los teóricos de cuerdas han proporcionado un límite inferior para la proporción entre la viscosidad y la entropía, o desorden, en un sistema de interacción fuerte. Los nuevos experimentos miden ambas propiedades en el gas de Fermi y demostraron que el mínimo del gas está entre 4 y 5 veces el límite inferior de la Teoría de Cuerdas.

“Las medidas no prueban directamente la Teoría de Cuerdas”, dice Thomas, señalando algunas salvedades – el límite inferior está derivado para sistemas de alta energía, donde la teoría de la relatividad de Einstein es esencial, mientras que los experimentos del gas de Fermi estudian gases a baja energía. Si los teóricos de cuerdas crean nuevos cálculos específicamente para un gas de Fermi, los científicos serían capaces de crear una prueba experimental precisa de la teoría con un equipo no mayor que un escritorio.


Cita: “Universal Quantum Viscosity in a Unitary Fermi Gas,” C. Cao et. al. Science 1195219 (2010) doi: 10.1126/science.1195219.

Fecha Original: 9 de diciembre de 2010
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Comments (2)

  1. Información Bitacoras.com…

    Valora en Bitacoras.com: Átomos congelados dan pistas sobre el espacio profundo y la física de partículas. Usando lásers que contienen algunos átomos ultra-enfriados, un equipo de científicos ha medido la viscosidad, o pegajosidad, de un gas a menudo…..

  2. Existe un mundo maravilloso en el campo de la materia condensada y los superconductores, derivado, èstos del Condensado de Bose Einstein (BEC), pero es muy importante profundizar aùn màs en los estudios pertinentes, que puedan arrojar luz sobre esta parte de la Mecànica Cuàntica.

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