Investigadores observan el nacimiento de cuasi-partículas en tiempo real

El concepto de cuasi-partículas es una poderosa herramienta para describir los procesos en sistemas cuánticos de muchos cuerpos, como materiales de estado sólido. Por ejemplo, cuando un electrón se mueve a través de un sólido, genera la polarización en su entorno debido a su carga eléctrica. Esta 'nube de polarización' se mueve junto con el electrón y el electrón resultante se puede describirse teóricamente como cuasipartícula o un polarón.

"Se puede imaginar como un esquiador en un día en polvo --dice Grimm--. El esquiador está rodeado por una nube de cristales de nieve. Juntos forman un sistema que tiene propiedades diferentes que el esquiador sin la nube". El desafío en un experimento es medir las cuasi-partículas.

"Estos procesos duran sólo attosegundos, lo que hace una observación en el tiempo de su formación extremadamente difícil", explica Grimm. Su equipo de investigación emplea gases cuánticos ultrafríos para las simulaciones para estudiar la física de muchos cuerpos de sistemas cuánticos complejos.

Los gases cuánticos ultrafríos son una plataforma experimental ideal para estudiar los fenómenos físicos en los materiales de estado sólido y también estados exóticos de la materia, por ejemplo, estrellas de neutrones. Debido al entorno bien controlado, los científicos son capaces de crear estados de muchos cuerpos y manipular las interacciones entre partículas en estos gases.

ESTUDIOS EN UN GAS CUÁNTICO ULTRAFRÍO

El equipo de Grimm, que trabaja en el Instituto de Óptica Cuántica e Información Cuántica de la Academia de Ciencias de Austria, y el Instituto de Física Experimental de la Universidad de Innsbruck, es líder en este campo de investigación. En colaboración con físicos teóricos de la Universidad de Harvard, Estados Unidos; la Universidad Técnica de Múnich, Alemania, y la Universidad de Monash, en Australia, los investigadores han estudiado ahora la dinámica de cuasipartículas en tiempo real.

En una cámara de vacío, utilizando técnicas de captura por láser, crearon un gas cuántico ultrafrío compuesto de átomos de litio y una pequeña muestra de átomos de potasio en el centro. Para ambos tipos de átomos, emplearon isótopos de naturaleza fermiónica, que pertenecen a la misma clase fundamental que los electrones. Se utilizaron los campos magnéticos para afinar las interacciones, que produjeron polarones Fermi, es decir, átomos de potasio incrustados en una nube de litio.

"En materia condensada, la escala de tiempo natural de estas cuasi-partículas es del orden de 100 attosegundos --detalla Grimm--. Hemos simulado los mismos procesos físicos a densidades mucho más bajas. En este caso, el tiempo de formación de polarones es de unos pocos microsegundos". Sin embargo, su medición sigue siendo un reto.

"Hemos desarrollado un nuevo método para observar el 'nacimiento' de un polarón prácticamente en tiempo real", dice el físico cuántico Grimm. Mirando hacia el futuro, añade: "Esto puede llegar a ser un enfoque muy interesante para comprender mejor las propiedades físicas cuánticas de los dispositivos electrónicos ultrarrápidos".