03/Jun/08

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¿Evidencia de un estado Bose cristalino?

"En general se cree que la superfluidez y el CBE ocurren a la misma y exacta temperatura"

"En los nanosistemas, muchas propiedades físicas están enormemente modificadas si las comparamos con las de los macrosistemas. Por lo tanto, estudiar los nanosistemas, en general, es muy importante para desarrollar física fundamental", dice Keiya Shirahama a PhysOrg.com vía correo electrónico.

Shirahama es profesor en la Keio University en Tokio, Japón. Ha trabajado con superfluidez durante 20 años, y está interesado en ver cómo trabaja a una nanoescala. Junto con Keiichi Yamamoto y Yoshiyuki Shibayama, también de Keio, dice que, "nuestra investigación ha revelado un nuevo aspecto en la relación entre la superfluidez y el CBE". Los resultados pueden ser visto en Physical Review Letters bajo el título "Evidencia termodinámica de Condensación Bose-Einstein a nanoescala en 4He confinado en un medio nanoporoso".

En física, el condensado de Bose-Einstein es el estado de agregación de la materia que se da en ciertos materiales a muy bajas temperaturas. La propiedad que lo caracteriza es que una cantidad macroscópica de las partículas del material pasa al nivel de mínima energía, denominado estado fundamental. El condensado es una propiedad cuántica que no tiene análogo clásico. Debido al Principio de Exclusión de Pauli, sólo las partículas bosónicas pueden tener este estado de agregación. Esto quiere decir que los átomos se separan y forman iones. A la agrupación de partículas en ese nivel se le llama condensado de Bose-Einstein. Ver el artículo básico completo. También, Estado de agregación de la materia.

Shirahama explica que, normalmente, la superfluidez es causada cuando se desarrolla un condensado de Bose-Einstein (CBE). Las partículas -como las del helio líquido que usaron para el experimento en la Keio University- se condensan en un estado cuántico único. "En general se cree que la superfluidez y el CBE ocurren a la misma y exacta temperatura".

Pero este experimento encontró algo diferente: "Nuestro descubrimiento, sin embargo, muestra claramente que en el helio, a una nanoescala, la superfluidez y el CBE ocurren en temperaturas diferentes. Esto es único", dice Shirahama.

El experimento consistía en confinar helio a nanoescala en una nanoestructura compuesta de material poroso. Cuando el equipo vio la superfluidez, quiso verificar la presencia del CBE. "La detección de la superfluidez no significa la observación del CBE, porque ésta es una propiedad dinámica, mientras la primera sólo puede ser detectada por mediciones termodinámicas o medios microscópicos como la dispersión de neutrones. De modo que decidimos medir la capacidad de calor del helio a nanoescala".

Para medir la capacidad de calor, Shirahama y su equipo usaron el método adiabático. Aislaron el helio líquido -y el material nanoporoso- en un vacío. "Aplicamos un poco de calor haciendo pasar una corriente a un calentador adosado a la celda de la muestra, y medimos el incremento de temperatura. Al analizar los datos del tiempo podemos obtener la capacidad de calor". Estas mediciones, sin embargo, fueron realizadas varias veces para obtener todo un conjunto de datos.

Después de esto, Shirahama y sus colegas descubrieron que podrían haber encontrado la primera evidencia de un estado Bose cristalino. Un estado Bose cristalino es un estado principalmente teórico en el que un trastorno causa la localización del CBE. "Ha sido de enorme interés teórico desde que se publicara la obra fundamental del Profesor Matthew Fisher y su equipo de trabajo en la Universidad Santa Bárbara en 1989", dice Shirahama. "De todos modos, hubo pocos estudios experimentales... Nuestro helio a nanoescala podría ser un primer ejemplo de un estado Bose cristalino".

Esta declaración subraya algunos de los otros usos que puede tener el trabajo realizado en la Keio University. Básicamente, las derivaciones de este trabajo podrían conducir a una mayor comprensión de la superfluidez y del desarrollo del CBE a nanoescala, y cómo difiere del desarrollo a escalas más grandes.

"Otra aplicación posible de nuestro trabajo es en la física de los llamados Superconductores de Alta Temperatura, o HTSC. En los HTSC hay un estado que muestra las propiedades superconductoras sólo en una longitud a nanoescala. Es denominado estado seudo-brecha. Nuestro estado de CBE a nanoescala se asemeja al estado seudo-brecha de los HTSC", señala Shirahama.

También hay aplicaciones prácticas para este trabajo. Shirahama dice que el trabajo podría tener trascendencia en el desarrollo de un dispositivo práctico de interferencia cuántica.

Fuente: PhysOrg. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard