Observar a un gas convertirse en superfluido

Artículo publicado por Anne Trafton el 18 de enero de 2012 en MIT News

El nuevo trabajo sobre gases ultrafríos puede también ayudar a los científicos a comprender los superconductores de alta temperatura y las estrellas de neutrones.

Cada vez que hierves agua en una tetera, eres testigo de un fenómeno conocido como transición de fase – el agua se transforma de un líquido a un gas, como puedes observar en el burburjeante agua y siseante vapor. Físicos del MIT han observado ahora una transición de fase mucho más esquiva: de gas a superfluido, un estado en el que las partículas fluyen sin fricción.

El trabajo del MIT, publicado la semana pasada en la edición en línea de Science, también arroja luz sobre la superconductividad de los electrones en metales, incluyendo superconductores de alta temperatura que tienen el potencial de revolucionar la eficiencia energética.

Levitación magnética por superconductores © by sach1tb


Los investigadores, liderados por el Profesor Ayudante de Física en el MIT Martin Zwierlein, llevaron a cabo su experimento con un isótopo de litio que tiene un número impar de electrones, protones y neutrones. Tales partículas se conocen como fermiones. Para convertirse en un superfluido y fluir sin fricción, los fermiones tienen que agruparse en parejas. Ésto es lo que sucede en los superconductores, donde los electrones forman lo que se conoce como pares de Cooper, los cuales pueden fluir sin resistencia.

Análogo a la transición de agua a vapor, la transición de superfluido (pares) a gas normal (átomos aislados no emparejados) debería verse acompañada de un drástico cambio en la presión, densidad y energía del gas. Para observar directamente tal transición en un gas, el equipo del MIT tenía primero que atrapar el gas de litio en una trampa de átomos (en la cual los átomos quedan anclados por campos electromagnéticos) y enfriarlos a temperaturas ultrabajas – menos de una cienmilmillonésima de grado sobre el cero absoluto.

En este punto, se espera que se forme un superfluido que conste de pares de átomos en el centro de la trampa atómica, rodeado por una región normal de átomos desparejados. Entonces se usó una luz para arrojar la sombra de esta nube atómica sobre una cámara.

Usando las imágenes de la sombra, Zwierlein y los estudiantes graduados del MIT Mark Ku, Ariel Sommer y Lawrence Cheuk se propusieron medir con precisión la relación entre presión, densidad y temperatura del gas. La relación entre estas tres variables se conoce como “ecuación de estado” del sistema. (Por ejemplo, para el vapor de la tetera, se sabe que cuando aumenta la temperatura, la presión también aumenta). Una ecuación de estado determina completamente las propiedades termodinámicas de un sistema, incluyendo sus transiciones de fase.

Un nuevo ‘termómetro’

Un obstáculo en anteriores experimentos sobre la termodinámica de los gases ultrafríos era la ausencia de un termómetro fiable que pudiese medir la temperatura de una ráfaga de gas 10 millones de veces más fría que el espacio interestelar. Los  investigadores resolvieron este problema caracterizando cuidadosamente las propiedades de su trampa atómica.

“Como geómetras que miden las curvas de nivel de un paisaje, determinamos la forma exacta de nuestra trampa”, explica el estudiante graduado Mark Ku. “Estas curvas de nivel nos sirvieron luego como termómetro”.

Piensa en la trampa como en un valle lleno de niebla: En las regiones más altas, se encontrarían las regiones de niebla menos densa, mientras que en las zonas bajas del valle la niebla se vuelve más densa. Midiendo tres cantidades – la densidad del gas en una curva de nivel dada, su cambio de una línea a la siguiente y la cantidad total de gas encontrado en el camino hacia esa altitud – los investigadores pudieron determinar la ecuación de estado de su gas de fermiones.

Los átomos de estos gases interactúan con fuerza, no muy distinto a los electrones en los superconductores de alta temperatura. El mecanismo exacto para la superconductividad aún no se comprende por completo, y por el momento, los físicos no han sido capaces de predecir materiales que se hagan superconductores a temperatura ambiente. El equipo del MIT ha medido ahora la temperatura crítica para la superfluidez en su gas atómico de Fermi y han demostrado que, escalando hasta la densidad de electrones en un metal, la superfluidez tendría lugar muy por encima de la temperatura ambiente.

El nuevo trabajo representa un “magnífico logro”, dice Wilhelm Zwerger, Profesor de Física en la Universidad Técnica de Múnich en Alemania que no estuvo implicado en el estudio. De acuerdo con Zwerger, determinar la transición de fase para los superfluidos no sólo arroja luz sobre los gases de Fermi, sino que también podría ayudar a los científicos a comprender mejor la ecuación de estado para las increíblemente densas estrellas de neutrones, que son más pesadas que el Sol pero tienen un diámetro de apenas 12 kilómetros.


Autor: Anne Trafton
Fecha Orginal: 18 de enero de 2012
Enlace Original

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