lunes, 10 de agosto de 2015

Físicos del MIT construyen primer microscopio de fermiones del mundo



Un equipo de investigadores que trabajan en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) afirman haber creado un método para observar mejor los fermiones - los bloques de construcción subatómicos de materia - mediante la construcción de un microscopio capaz de verlos en grupos de mil a la vez. Una técnica láser se utiliza para agrupar los fermiones en un área de visualización y luego congelarlos en el lugar para que todas las partículas capturadas se puedan visualizar simultáneamente.

En todo el universo conocido, sólo hay dos tipos de partículas: fermiones y bosones. En términos simples, los fermiones son las partículas que componen la materia (por ejemplo, electrones), y los bosones son las partículas que transportan la fuerza (por ejemplo, fotones).
Los fermiones incluyen los electrones, neutrones, quarks, protones y átomos que consisten de un número impar de alguna o de todas estas partículas elementales. Sin embargo, debido a la naturaleza extraña (y no completamente entendida) de estas partículas en relación con sus estados de espín cuántico, los científicos a menudo optan por emplear los gases de átomos fermiónicos ultrafríos como sustitutos de otros fermiones.

En las últimas dos décadas, los físicos que estudian gases atómicos ultrafríos de partículas bosón - como los fotones - han sido capaces de hacerlo con relativa facilidad porque los bosones pueden ocupar el mismo estado cuántico en números ilimitados. Los fermiones, sin embargo, son mucho más complicados de manipular para su visualización, ya que no pueden ser mantenidos en el mismo estado cuántico en grandes cantidades y son mucho más difíciles de reducir a las temperaturas requeridas para aminorar su velocidad lo suficiente para verlos.

En el 2009, físicos de la Universidad de Harvard crearon con éxito un microscopio de bosones que puede resolver los bosones individuales en una red óptica. Del mismo modo, en 2010, el Instituto Max Planck de Óptica Cuántica también desarrolló un segundo microscopio de bosones. Y, a pesar de estos microscopios revelaron el comportamiento de los bosones, sus contrapartes - los fermiones - han permanecido elusivos sin un microscopio de fermiones equivalente.

Los científicos han querido hacer lo que estos grupos han hecho con los bosones, pero con los fermiones. Pero resulta que es mucho más difícil obtener los mismos resultados con los fermiones, porque los átomos utilizados no se enfrían tan fácilmente. Por lo tanto, los investigadores han tenido que encontrar una nueva forma de enfriar los fermiones para poder mirarlos.

Lo que se requiere para estudiar los fermiones es una manera de reducir su temperatura, y por lo tanto su movimiento, hasta un punto lo suficientemente bajo como para obtener una imagen de ellos. Sin embargo, incluso las técnicas que dieron lugar a la primera realización de una condensación Bose-Einstein en el laboratorio en 1995 (experimento que resultó en un Premio Nobel en 2001), o los trabajos posteriores que utilizaron rayos láser para enfriar átomos hasta unas diez milésimas de grado por encima del cero absoluto, son insuficientes para lograr el enfriamiento necesario para captar la imagen de átomos fermiones.

Para superar este problema, los investigadores del MIT inicialmente crearon una red óptica utilizando rayos láser para formar un arreglo de "pozos" de luz que podría magnéticamente atrapar y mantener un único fermión en su lugar (una técnica similar a la utilizada por la Universidad de California para capturar átomos de cesio y obtener imágenes de rotones). Por medio de la aplicación de un número de etapas de reducción de la temperatura a través de rayos láser, junto con más más refrigeración por evaporación de gas (en este caso, gas de potasio), los átomos se enfriaron hasta justo por encima del cero absoluto, que era lo suficientemente frío como para mantener fermiones individuales en un lugar en la red óptica.

A medida que los fermiones se mueven a este estado de energía más bajo, también liberan fotones de luz que luego pueden ser capturadas por el microscopio y utilizados para localizar la posición exacta de un fermión dentro de la red a un nivel de precisión mayor que la longitud de onda de la luz.

Eso significa que se puede saber dónde están los fermiones, y tal vez puedan ser movidos a cualquier lugar y colocados en cualquier patrón deseado por los investigadores.

Por desgracia, esta estabilidad era tenue porque, cuando la luz se utilizaba para iluminar los fermiones para su visualización, los fotones individuales también podían sacarlos de su lugar.

El equipo de científicos resolvió esto hábilmente empleando un enfoque de dos haces de rayos láser distintos en el cual se utilizaron rayos de diferentes frecuencias para alterar el estado de energía de los átomos fermiones. Al disparar simultáneamente los dos haces sobre el átomo de modo que un haz de frecuencia específica es absorbido por la partícula, se produce la emisión correspondiente de un fotón en respuesta por parte del átomo. Esto, a su vez, obliga a la partícula a pasar a un estado de energía más bajo, lo que enfría aún más el átomo mediante la reducción de sus niveles de excitación.

El resultado de esta investigación, según el equipo, es que la imagen de alta resolución que captura más de 1.000 átomos fermiónicos todos juntos al mismo tiempo ayudará a mejorar nuestra comprensión fundamental de estas partículas elusivas. Como los electrones son también fermiones, se espera que esta información puede ayudar a la investigación de superconductores de alta temperatura, con sus ventajas inherentes de transporte de energía sin pérdidas y el desarrollo de sistemas de computación cuántica.

El microscopio de gas de Fermi, junto con la capacidad de posicionar átomos a voluntad, podría ser un paso importante hacia la realización de un ordenador cuántico basado en fermiones. Por lo tanto, podriamos aprovechar el poder de las mismas reglas cuánticas complejas que hasta ahora dificultan nuestra comprensión de los sistemas electrónicos.





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