Los Físicos Revelan Un Nuevo Estado De La Materia Cuántica Llamado Rydberg Polaron

Los físicos observan una nueva clase de materia cuántica

Esta ilustración de una molécula de Rydberg, que muestra la probabilidad de encontrar un electrón en la parte superior del átomo en estado fundamental, con los picos corresponden al lugar donde es más probable que se encuentre el electrón. Esto muestra un extraño parecido con un trilobite, un fósil de una antigua criatura marina. Cuando se agregan átomos a la órbita del átomo de Rydberg, la molécula resultante finalmente se transforma en un polarón de Rydberg, que actúa como una sola partícula masiva. Donald Booth (Universidad de Wisconsin

Los científicos han observado una nueva clase de materia cuántica a las escalas más pequeñas en uno de los entornos más fríos jamás creados. Este descubrimiento podría allanar el camino para nuevas tecnologías, incluidas innovaciones en superconductividad y otros campos de vanguardia.

Los investigadores examinaron el comportamiento de la materia en las escalas atómica y subatómica, conocida como “materia cuántica”, donde una gran cantidad de partículas interactúan entre sí.

Este último descubrimiento revela un nuevo estado de la materia cuántica llamado “polarón de Rydberg”, una partícula relativamente gigante que contiene muchos átomos que se comporta de alguna manera como una sola partícula masiva.

El experimento, iniciado por el trabajo teórico en el Instituto de Física Óptica y Molecular Atómica Teórica (ITAMP) en el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica ( CfA ) y Harvard Physics, se realizó en el laboratorio de Thomas Killian en la Universidad de Rice, donde los electrones recibieron tanta energía, a punto de ser arrancados del núcleo. Estos átomos altamente excitados se sumergieron en un gas que se había enfriado a solo una millonésima de grado por encima de cero absoluto . El resultado es la creación de un “Rydberg átomo , ”Que tiene aproximadamente una mil millonésima parte de un metro de ancho. Esto lo hace unas diez mil veces más grande que un átomo típico.

“Al poner los átomos de Rydberg en estas condiciones, vimos que los átomos y las moléculas pueden configurarse a sí mismos de formas que nunca antes habíamos visto”, dijo Richard Schmidt de ITAMP, quien dirigió el trabajo teórico, junto con Hossein Sadeghpour en ITAMP y Eugene. Demler en Harvard Physics.

En este entorno cuántico, los átomos y las moléculas pueden apilarse para formar moléculas más pesadas, de forma muy similar a como se organizan las piezas de Lego. En el nuevo trabajo, el equipo aplicó este proceso a los átomos de Rydberg, donde se formaron moléculas de Rydberg cada vez más pesadas al agregar una gran cantidad de átomos circundantes hasta que se agregaron hasta 160 átomos a un átomo de Rydberg.

“El surgimiento de la complejidad en la naturaleza a menudo se debe a la aparición de nuevas propiedades o comportamientos. Sin embargo, como una torre Lego cada vez más grande y precaria, tal disposición se derrumbará a menos que surja una nueva propiedad para estabilizar la estructura ”, dijo el coautor Hossein Sadeghpour.

Las interacciones cuánticas, que es un comportamiento similar de diferentes partículas cuánticas, entre el electrón del átomo de Rydberg y los átomos circundantes permiten que este sistema cuántico con muchas partículas diferentes se mantenga unido. En el proceso, este objeto cambia su carácter para convertirse en lo que los científicos llaman un “polarón de Rydberg”.

El polarón se ve envuelto por átomos circundantes que se mueven junto con él debido a estas interacciones cuánticas, desarrollando una masa efectiva que es mayor que la masa de los átomos que lo ocupan. En este punto, el polarón Ryberg deja de comportarse como una molécula y comienza a actuar más como una sola partícula masiva. Una analogía es la de un caballo que galopa y se va cubriendo gradualmente de una nube de partículas de suciedad, que oscurece y cambia la apariencia del animal.

“Es posible hacer polarones cada vez más grandes hasta que los objetos dejen de tener un comportamiento cuántico y comiencen a actuar de manera clásica”, dijo Sadeghpour.

Las aplicaciones de este trabajo incluyen el potencial de obtener una mejor comprensión de la superconductividad a temperatura ambiente y las interacciones de muchos cuerpos. El trabajo también puede ayudar a diseñar nuevos materiales y ayudar a actuar como una sonda espectroscópica de correlaciones débiles en la materia cuántica de muchos cuerpos.

La Physical Review Letter describe el trabajo experimental realizado en la Universidad de Rice por Tom Killian, y el trabajo teórico realizado en la Universidad de Harvard por Eugene Demler, en el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica por Richard Schmidt y Hossein Sadeghpour, Eugene Demler en Harvard Physics, y en la Universidad Tecnológica de Viena. The Physical Review Un artículo explica los detalles de la teoría al generalizar el concepto de polarón a un sistema que interactúa mucho más fuertemente, allanando el terreno para explorar las propiedades de este novedoso estado cuántico de la materia, como su masa efectiva y la naturaleza de las interacciones entre polarones.

Publicación: R. Schmidt, et al., “Teoría de la excitación de los polarones de Rydberg en un gas cuántico atómico”, Phys. Rev. A 97, 022707, 2018, doi: 10.1103 / PhysRevA.97.022707

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