Los físicos de Penn State han descubierto una reacción universal en los sistemas cuánticos cuando son perturbados por una gran afluencia de energía. Usando gases unidimensionales ultrafríos, pudieron observar de cerca esta respuesta y la fase posterior conocida como «hidrodinamización», proporcionando un modelo para comprender sistemas cuánticos similares. Los hallazgos fueron publicados en la revista Naturaleza.
Nuevos experimentos con gases atómicos ultrafríos arrojan luz sobre cómo evolucionan todos los sistemas cuánticos que interactúan después de una repentina afluencia de energía.
Los nuevos experimentos que utilizan gases unidimensionales de átomos ultrafríos revelan una universalidad en la forma en que los sistemas cuánticos compuestos por muchas partículas cambian con el tiempo después de que una gran afluencia de energía desequilibra el sistema. Un equipo de físicos de Penn State ha demostrado que estos gases responden de inmediato, «evolucionando» con características que son comunes a todos los sistemas cuánticos de «muchos cuerpos» que salen del equilibrio de esta manera. Un artículo que describe los experimentos se publicó el 17 de mayo de 2023 en la revista Naturaleza.
«Muchos avances importantes en física durante el siglo pasado se han relacionado con el comportamiento de los sistemas cuánticos con muchas partículas», dijo David Weiss, un distinguido profesor de física en Penn State y uno de los líderes del equipo de investigación. “A pesar de la impresionante variedad de diversos fenómenos de ‘muchos cuerpos’, como la superconductividad, la superfluidez y el magnetismo, a menudo se ha encontrado que su comportamiento cerca del equilibrio es lo suficientemente similar como para clasificarlos en un pequeño conjunto de clases universales. Por el contrario, el comportamiento de los sistemas que están lejos del equilibrio ha producido pocas descripciones unificadoras”.
Nuevos experimentos con gases atómicos ultrafríos revelan la física universal en la dinámica de los sistemas cuánticos. La estudiante graduada de Penn State, Yuan Le, la primera autora del artículo que describe los experimentos, se encuentra cerca del aparato que usó para crear y estudiar gases unidimensionales cercanos al cero absoluto. Crédito: David Weiss, Penn State
Estos sistemas cuánticos de muchos cuerpos son colecciones de partículas, como los átomos, que son libres de moverse entre sí, explicó Weiss. Cuando son una combinación lo suficientemente densa y fría, que puede variar según el contexto, se necesita la mecánica cuántica, la teoría fundamental que describe las propiedades de la naturaleza a escala atómica o subatómica, para describir su dinámica.
Los sistemas dramáticamente fuera de equilibrio se crean rutinariamente en los aceleradores de partículas cuando los pares de iones pesados chocan a velocidades cercanas a la velocidad de la luz. Las colisiones producen[{» attribute=»»>plasma—composed of the subatomic particles “quarks” and “gluons”—that emerges very early in the collision and can be described by a hydrodynamic theory—similar to the classical theory used to describe airflow or other moving fluids—well before the plasma reaches local thermal equilibrium. But what happens in the astonishingly short time before hydrodynamic theory can be used?
“The physical process that occurs before hydrodynamics can be used has been called ‘hydrodynamization,” said Marcos Rigol, professor of physics at Penn State and another leader of the research team. “Many theories have been developed to try to understand hydrodynamization in these collisions, but the situation is quite complicated and it is not possible to actually observe it as it happens in the particle accelerator experiments. Using cold atoms, we can observe what is happening during hydrodynamization.”
The Penn State researchers took advantage of two special features of one-dimensional gases, which are trapped and cooled to near absolute zero by lasers, in order to understand the evolution of the system after it is thrown of out of equilibrium, but before hydrodynamics can be applied. The first feature is experimental. Interactions in the experiment can be suddenly turned off at any point following the influx of energy, so the evolution of the system can be directly observed and measured. Specifically, they observed the time-evolution of one-dimensional momentum distributions after the sudden quench in energy.
“Ultra-cold atoms in traps made from lasers allow for such exquisite control and measurement that they can really shed light on many-body physics,” said Weiss. “It is amazing that the same basic physics that characterize relativistic heavy ion collisions, some of the most energetic collisions ever made in a lab, also show up in the much less energetic collisions we make in our lab.”
The second feature is theoretical. A collection of particles that interact with each other in a complicated way can be described as a collection of “quasiparticles” whose mutual interactions are much simpler. Unlike in most systems, the quasiparticle description of one-dimensional gases is mathematically exact. It allows for a very clear description of why energy is rapidly redistributed across the system after it is thrown out of equilibrium.
“Known laws of physics, including conservation laws, in these one-dimensional gases imply that a hydrodynamic description will be accurate once this initial evolution plays out,” said Rigol. “The experiment shows that this occurs before local equilibrium is reached. The experiment and theory together, therefore, provide a model example of hydrodynamization. Since hydrodynamization happens so fast, the underlying understanding in terms of quasi-particles can be applied to any many-body quantum system to which a very large amount of energy is added.”
Reference: “Observation of hydrodynamization and local prethermalization in 1D Bose gases” by Yuan Le, Yicheng Zhang, Sarang Gopalakrishnan, Marcos Rigol and David S. Weiss, 17 May 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-05979-9
In addition to Weiss and Rigol, the research team at Penn State includes Yuan Le, Yicheng Zhang, and Sarang Gopalakrishnan. The research was funded by the U.S. National Science Foundation. Computations were carried out at the Penn State Institute for Computational and Data Sciences.
